К оглавлению журнала

Дж.Ф. Маклеллан, Дж.Б. Шлепп (Pulsearch Navigation Systems Inc.)

Отрасль спутниковой навигации берет свое начало с конца 70-х гг. 22 февраля 1978 г. в США был запущен первый навигационный спутник. С этого времени в США было произведено 35 успешных запусков, и в настоящее время 24 спутника GPS NAVSTAR (GPS –спутниковая навигационная система) доступны для определения положения любого объекта. Эта система была создана и поддерживается Министерством обороны США. Однако GPS NAVSTAR частично открыта и для гражданских целей. Целый ряд компаний разрабатывают навигационное оборудование и программное обеспечение для различных отраслей. GPS охватывает весь земной шар, т.е. практически в любой точке мира с применением относительно недорогого и портативного оборудования любой пользователь может узнать свое местоположение с высокой точностью. При этом GPS позволяет определять позицию объекта независимо от погодных условий, днем и ночью. Аналогичная навигационная система Glonass создана и в России. На начало 1996 г. в использовании были 22 спутника.

Спутниковые навигационные системы в настоящее время эффективно используются для определения положений автомобилей, кораблей и самолетов, для картографии и аэрофотосъемки, для ориентирования в труднодоступной местности и т.д. GPS стала неотъемлемой частью различного вида изысканий. Как для морских, так и для наземных изысканий встает задача быстрого определения местоположения точки, для которой получены геологические (геофизические) данные. Например, при проведении сейсморазведки в заданном районе требуется проанализировать геофизические данные для тысяч точек, при этом нужно знать положение каждой из них. С применением традиционных геодезических методов это заняло бы намного больше времени, чем при использовании GPS.

Системы для навигационного обеспечения изысканий состоят из трех компонентов – электронного оборудования, навигационного программного обеспечения, а также географической информационной системы, работающих в составе единого комплекса. Одной из основных частей электронного оборудования является GPS-приемник – относительно недорогое и компактное устройство, принимающее сигналы со спутника. На основании этих сигналов возможно определение расстояний от приемника до видимых спутников, зная расстояние до спутников, можно с помощью геометрических вычислений получить положение этого приемника.

Данные о координатах точки должны отображаться на электронной карте местности, причем так, чтобы пользователь мог с помощью системы запросов узнать информацию об интересующей точке, а также о других объектах на местности. Эта задача решается географической информационной системой – программным обеспечением, входящим в состав комплексной системы для навигационного обеспечения геофизических изысканий. В конечном итоге информация о положении точек экспортируется в программы, осуществляющие анализ геофизической информации. Таким образом, только с применением эффективного электронного оборудования и мощного программного обеспечения удается получить качественно новый результат – автоматизировать процесс определения положения точек сейсмического зондирования.

NavSEIS - КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАЗЕМНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

Навигационное обеспечение изысканий – сложный многоступенчатый процесс. Фирма Pulsearch Navigation Systems Inc. разработала уникальную GPS-технологию, специально ориентированную на проведение сейсморазведки. На рис. 1 представлена схема, позволяющая проанализировать все шаги, необходимые для получения качественной навигационной информации. Вся система состоит из четырех программ для пре- и постпроцессорной обработки информации, осуществляемой в офисе компании, производящей изыскания. Все эти программы функционируют на IBM PC под Windows 3.1, Windows 95, Windows NT. Процесс навигационного обеспечения сейсмических изысканий начинается в офисе. На первом этапе задаются начальные данные для проведения изысканий: возможные атрибуты точек, географическая информация о данном участке и т.д. Кроме того, задаются предварительные (теоретические) координаты точек – источников и приемников сейсмического воздействия. Эти точки должны быть вынесены на местность. На следующем этапе эти данные загружаются в устройство для сбора данных в поле Corvallis PC5L. Это фактически портативный компьютер IBM PC. В нем есть миниатюрный экран на жидких кристаллах, позволяющий выводить 5-7 строчек текста. Есть также 60-кнопочная клавиатура, что позволяет вводить любую символьную и цифровую информацию. Устройство свободно помещается в руке и специально предназначено для работы в полевых условиях. Постоянное запоминающее устройство позволяет хранить данные о десятках тысяч точек.

Этот компьютер подсоединен к электронному устройству, называемому GPS-навигатор, и с него получает данные. GPS-навигатор состоит из трех основных компонентов: GPS-приемника, который получает сигналы со спутника, радиомодема и цифрового барометра. Радиомодем служит для связи с базовой станцией. На точность определения позиций с применением GPS существенное влияние оказывают различные особенности окружающей среды. Использование базовой станции позволяет оценить эти воздействия и получить более точный результат измерений. Фактически это тот же GPS-навигатор с радиомодемом, но расположенный в точке, координаты которой известны. Эти координаты могут быть получены, например, с применением традиционных геодезических методов. Радиомодем базовой станции транслирует корректирующую информацию, позволяющую повысить точность измерений, на другие GPS-навигаторы. Применение третьего компонента GPS-навигатора – цифрового барометра – имеет существенное значение при проведении изысканий в лесах. Дело в том, что точность измерений высот точек существенно уменьшается под кронами деревьев. Повысить точность вертикальных измерений удается с использованием цифровых барометров. В районе изысканий устанавливается барометрическая базовая станция. Внутренние часы GPS-навигатора и барометрической базовой станции синхронизируются, и станция, и GPS-навигатор начинают записывать текущую барометрическую информацию. На основании этих данных и информации, полученной со спутника в процессе постпроцессорной обработки, будут вычислены высоты точек с повышенной точностью.

GPS-навигатор помещается в рюкзак, который специалист по проведению изысканий носит за плечами. Полный полевой навигационный комплект включает GPS-навигатор, портативный компьютер PC5L, спутниковую антенну, батареи питания и ряд других элементов. В портативном компьютере функционирует специальная программа. На миниатюрный экран выводится информация (расстояние и азимут), где расположена очередная теоретическая точка, которая должна быть вынесена на местность. Эти данные корректируются каждую секунду. После того как специалист по проведению изысканий останавливается в пределах 50-80 см от теоретической точки, он фиксирует фактическую точку и тем самым записывает информацию о ее координатах в постоянное запоминающее устройство портативного компьютера.

На следующем этапе в офисе компании, производящей изыскания, осуществляется постпроцессорная обработка собранных данных. Данные о реальном положении точек выгружаются с портативного компьютера PC5L в IBM PC. Первый шаг – это "чистка" фактических данных. Например, фактические координаты точки по ошибке могут быть записаны дважды. На этом этапе данные о координатах точек могут быть откорректированы в диалоговом режиме. Следующий шаг – вычисление высот точек на основании барометрических данных, накопленных с использованием GPS-навигатора и барометрической базовой станции. Наконец, последняя программа, служащая для постпроцессорной обработки информации, – программа контроля качества собранных данных. Разработаны специальные алгоритмы, позволяющие сравнивать теоретические и фактические данные с целью контроля последних. Например, на основе введенных пользователем граничных значений оценивается допустимое смещение фактической точки по отношению к теоретической. Программа контроля качества экспортирует накопленные данные в программы, проводящие сейсмический анализ. Это фактически главный результат работы данной системы.

Кроме этого, координаты точек могут быть проанализированы визуально. На экран или печать выводится электронная карта района проведения сейсморазведки (рис. 2). Есть возможность вывести и проанализировать информацию об атрибутах данной точки или групп точек. Помимо координат точки, ее атрибутом является, например, информация, для чего эта точка используется (источник сейсмического воздействия, приемник, барометрическая базовая станция, контрольная точка, объект на местности, например скважина, дерево и т.д.). Кроме того, атрибутами точки являются данные, позволяющие оценить точность получения позиции. Программа контроля качества также экспортирует данные о координатах точек в DXF-файл для вывода информации в AutoCAD и другие графические пакеты.

Разработанную фирмой Pulsearch Navigation Systems Inc. технологию активно используют ведущие мировые фирмы, проводящие геофизические изыскания. Результаты применения этой технологии позволяют сделать следующие выводы:

СИСТЕМА ДЛЯ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОРСКИХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ SVS-5012

Фирмами NCS International (Хьюстон, Техас) и Pulsearch Navigation Systems Inc. разработана система для определения позиций сейсмического судна и буксируемых за ним сейсмических буев. Эта система активно используется на судах, проводящих сейсмические изыскания по всему миру.

Система SVS-5012 работает в режиме реального времени. На сейсмическом судне установлен целый ряд компьютеров, один из которых обеспечивает определение позиции. GPS-приемники расположены на судне и на каждом из буев. Позиция судна может определяться с достаточной точностью с использованием информации, получаемой с целого ряда базовых станций, расположенных на берегу. Система позволяет с высокой точностью определять относительную позицию судна и буев. Так как абсолютная позиция судна определена с достаточной точностью, то, зная позицию буя по отношению к судну, с приемлемой точностью можно определить и абсолютную позицию сейсмического буя. Данные о позиции буя и судна поступают на компьютер каждые 1-5 с и обрабатываются. Результат – координаты судна и буев в режиме реального времени передаются на компьютер, обеспечивающий сбор и анализ сейсмических данных. Кроме того, результаты по каждой сейсмической линии записываются в файл, что позволяет проводить контроль качества данных. Помимо координат точек, данными являются: число видимых и использованных спутников, расстояния до каждого буя (их может быть до 21) и азимут (информация, позволяющая оценить качество данных), телеметрические данные, характеризующие техническое состояние оборудования, и т.д. Программа проводит статистическую обработку результатов и выводит график изменения каждой переменной во времени по каждой сейсмической линии.

Эксплуатируемая под Windows 3.1, Windows 95 и Windows NT система имеет удобный графический интерфейс, который позволяет в режиме реального времени отобразить данные, характеризующие позицию судна и буя. Например, выводится постоянно корректируемая схема, характеризующая взаимное положение судна и буев.

JUPITER - СИСТЕМА ДЛЯ ПОСТПРОЦЕССОРНОЙ ОБРАБОТКИ НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ

Координаты сейсмических точек можно получить в полевых условиях с помощью портативного компьютера. Кроме того, есть возможность провести постпроцессорную обработку собранных в поле данных по определению позиций и скоростей стационарных и двигающихся GPS-приемников с помощью программы Jupiter фирмы Pulsearch Navigation Systems Inc. Такой подход имеет целый ряд преимуществ. Прежде всего, процесс вычислений значительно ускоряется. Кроме того, Jupiter работает с самыми разнообразными GPS-приемниками: NovAtel, Magnavox, Trimble, Motorola, CMC All-star и целым рядом других. Использование Jupiter позволяет значительно повысить точность измерений до сантиметрового уровня. Фактическая точность зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора данных. Отличительная черта Jupiter – наличие эффективной системы анализа надежности данных, которая позволяет определить точность вычисления позиции, а также надежность решения. Jupiter позволяет определить и исключить ошибочные измерения. Все это дает возможность эффективно эксплуатировать Jupiter как вместе с системой NavSEIS, так и независимо, т.е. для постпроцесоорной обработки координат сейсмических данных, собранных другими системами.

Результат работы Jupiter – координаты сейсмических точек – можно экспортировать в различные форматы: Arc/Info GENerate, Geolab, DXF (для AutoCAD), систем для сейсмического анализа и др. Jupiter генерирует всеобъемлющий отчет, включающий данные, необходимые для контроля качества результатов.

Так же как и в программе контроля качества, входящей в состав NavSEIS, Jupiter позволяет вывести карту точек и проанализировать входящие в них атрибуты. Важная составляющая Jupiter – программа SKYPLOT (рис. 3). Эта программа позволяет осуществить планирование сроков сейсморазведки. На основании орбит спутников (информация обеспечивается правительственными организациями США) SKYPLOT вычисляет, сколько спутников будут доступны в данный интервал времени и в данном месте, а также на основании этих данных оценивает точность определения позиций. Пользователь может указать точку на электронной карте выбранной страны, соответствующую месту проведения изысканий. В состав Jupiter входит утилита GeoComp, которая позволяет осуществлять различные геодезические расчеты, например получение новых координат точек при изменении картографической проекции.

Jupiter поставляется в трех вариантах: золотом, серебряном и бронзовом. Бронзовый вариант не включает сложных геометрических и статистических процедур, призванных обеспечить высокую точность определения позиций. В состав бронзового варианта входит программа SKYPLOT. Этот вариант бесплатно доступен на InterNet по адресу: WWW.PULSEARCH. COM. Серебряный и золотой варианты обеспечивают высокую точность определения позиции.

Применение GPS коренным образом изменило лицо отрасли сейсмических изысканий, существенно сократив и упростив полевые работы и компьютеризировав сложную работу в офисе. Разработайные фирмой Pulsearch Navigation Systems Inc. оборудование и программное обеспечение уникальны в своем роде, так как созданы специально для навигационного обеспечения сейсмических изысканий, а следовательно, учитывают все особенности этой технологии. Важнейшее достоинство системы – определение позиции в лесах, под кронами деревьев, исключая или крайне ограничивая их вырубку. Система рассчитана на эксплуатацию в суровых условиях Канадского Севера. Все это крайне существенно при проведении изысканий в Сибири.

Система для навигационного обеспечения морских сейсмических изысканий по основным показателям признана лучшей в своей области. Благодаря применению современной GPS-технологии удалось значительно повысить точность определения позиции и в целом трудозатрат на проведение морских изысканий.

Фирма Pulsearch Navigation Systems Inc. крайне заинтересована в плодотворном сотрудничестве с российскими фирмами, специализирующимися в области сейсморазведки и ее научно-техническом сопровождении.

Адрес фирмы: Bay E, 6815 - 40 Street S.E., Calgary, Alberta, Canada, T2C 2W7. E-mail: gps@pulsearch.ca. Fax: (403) 720-0044.

Рис.1. СИСТЕМА ПРОГРАММ NavSEIS

Рис.2. ПРОГРАММА MapView (фрагмент реальной карты-схемы)

Рис.3. ПРОГРАММА SKYPLOT