Аспарух Красенов Камбуров приложение на метода wartk в съвременните 2d и 3d сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ



страница1/3
Дата01.03.2017
Размер0.61 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3
МИННО-ГЕОЛОЖКИ УНИВЕРСИТЕТ „СВ. ИВАН РИЛСКИ“

КАТЕДРА „МАРКШАЙДЕРСТВО И ГЕОДЕЗИЯ“

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Аспарух Красенов Камбуров

ПРИЛОЖЕНИЕ НА МЕТОДА WARTK В СЪВРЕМЕННИТЕ 2D И 3D СЕИЗМИЧНИ ПРОУЧВАНИЯ ЗА ТЪРСЕНЕ НА НЕФТ И ГАЗ

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертация за придобиванена

образователна и научна степен „доктор“

по научна специалност: 02.16.01 „Обща, висша и приложна геодезия“

Научен ръководител:

доц. д-р инж. Момчил Минчев

Рецензенти:

проф. д.т.н.инж. Иван Георгиев

доц. д-р инж. Михаил Авджиев

София, 2012 г.



  1. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

  1. Актуалност на проблема

Сеизмичните изследвания в нефто-газодобивната промишленост се извършват основно с цел откриване на нови находища на течни и газообразни въглеводородни полезни изкопаеми. Методът на изледване се състои в изкуствено генериране на сеизмични вълни в земната кора, наблюдение, регистриране, анализ и интерпретация на техните отражения. Прилагат се различни технологични схеми за наблюдение, сред които най-използвани са профилните (2-D) и площните (3-D).

Правилният анализ на геофизичните данни изисква местоположенията, в които се извършва генериране и регистриране на сеизмичните вълни, да бъдат трасирани и определени с достатъчна точност в зададена планова и височинна координатна система. За целта се използват основно съвременни ГНСС методи.Приложението на тези методи е свързано със специфични изисквания към наличната геодезическа и телекомуникационна инфраструктура, каквато твърде често липсва в изолиранитерайони от земната повърхност. Такива са геоложките райони, изключително перспективни за изучаване чрез сеизмични методи - Северна Африка, Близкия Изток, Средна Азия и др.

Затрудненото прилагане на съществуващите към момента ГНСС методи налага търсене на нови, способни да осигурят оптималногеодезическо производство в тези и други подобни райони.


  1. Цели и задачи на работата

Целта на дисертационния труд е изследването на възможностите за приложение на нов диференциален ГНСС метод с широк обхват, наречен WARTK (Wide Area RTK), за нуждите на геодезическото производство в рамките на сеизмичните 2-D и 3-D проучвания за търсене на нефт и газ.

В дисертацията са формулирани следните задачи:



  • Анализ на основните изисквания към геодезическите работи в сеизмичните проучвания;

  • Изследване на теоретичните основи на класическите ГНСС методии предлагания нов метод WARTK;

  • Изследване на възможностите за приложение на класически ГНСС методи в реални условия и оценка на предимствата и недостатъците им;

  • Експериментално проучване на метода WARTK;

  • Оценка на възможните предимства на предлагания метод на базата на съпоставката му с класическите ГНСС методи.



  1. Методи и средства на изследване

В дисертацията са използвани следните теоретични и емпирични методи на изследване:

  • Анализ – анализирани са теоретичните основи на сеизмичните методи за търсене на нефт и газ с цел извеждане на основните изисквания към използваните в тях геодезически дейности;

  • Сравнение – извършено е сравнение на емпирични резултати от геодезически дейности в реални проучвателни условия, с цел извеждане на основните им недостатъци и обобщаване на функционалните направления, в които е възможно да се търси оптимизиране.

  • Експеримент – извършена е емпирична верификация на алгоритъма за определяне на местоположение по метода WARTK.

Експерименталната работа е извършена със следните средства:

  • софтуер за оценка на данни по МНМК –„gCAТ“;

  • софтуер за оценка на данни чрез калманов филтър – „kalman“;

  • софтуер за търсене на фиксирани циклични параметри – „ambisolv“;

  • среда за графична визуализация на резултатите – „gnuplot”.



  1. Научна новост

Дисертационният труд представлява научна новост в следните пунктове:

  • Класифицират сеза първи път методите за приложение на ГНСС в реални 2-D и 3-D сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ;

  • Изследват сеза първи път възможностите за приложение на метода WARTK за сеизмични проучвания в перспективен за търсене на нефт и газ райони.



  1. Приложимост и полезност

МетодътWARTK е приложим във всички случаи, когато са изпълнени следните изисквания:

  • Да е необходимо ГНСС позициониране в реално време с дециметрова точност;

  • Дае в обхвата на диференциалните WARTK корекции – около 400 km от мрежовите станции за мониторинг на SBAS системата EGNOS.

След достигане на пълна оперативност методът WARTK ще може да се използва успешно за цялостно геодезическо осигуряване на сеизмологичните проучвания за търсене на нефт и газ в отдалечени и труднодостъпни райони от Африка и Азия. Допълнителна приложимост може да се търси във всички сфери, в които се изисква определяне на местоположение в реално време с дециметрова точност. Такива могат да бъдат:

  • геофизични проучвания;

  • кадастър;

  • картиране, утилити, ГИС;

  • земеделие и др.

  1. Обем и структура на дисертационната работа

Дисертационният труд е структуриран в увод, три глави, заключение, претенции за приноси, публикации на автора по темата, използвана литература, седем приложения. Общият обем на дисертацията е 251 страници.

  1. СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Глава 1 - Сеизмични методи за търсене на нефт и газ

    1. Въведение

Предмет на разглеждане в тази глава от дисертацията е проучвателната сеизмология за търсене находища на нефт и газ под сушата, извършвана по 2-D и 3-D сеизмични методи.

    1. Същност на сеизмичните методи

При прилагане на 2D и 3D сеизмични методи на проучване вълните се предизвикват чрез изкуствено възбуждане на земната повърхност с взривни и невзривни източници. Основна роля играят невзривните източници и на първо място вибросеизмичното възбуждане (т. нар. вибросеиз). Като се разпространяват в дълбочина, тези вълни срещат границите на различните по литология скални серии. Благодарение на това, че съществува скок в еластичните свойства, образуват се отразени и пречупени вълни, които се завръщат обратно към повърхността на Земята.

Регистрираните записи на отделните групи от импулси, които са резултат от пречупването и отразяването на първоначалния сеизмичен импулс от границите между отделните слоеве на земната кора, се наричат сеизмограма. След систематизиране на записите на сеизмичните вълни, получени в различни точки на повърхността или в сондажи, на сеизмограмата могат да се разграничат импулсите, предизвикани от пристигането на различни по вид сеизмични вълни – отразени или пречупени. Това дава възможност да се определи положението на отделните граници на разреза, на които се пречупват и отразяват вълните.



    1. Геоложки основи на сеизмичните методи

При търсенето и проучването на полезни изкопаеми чрез сеизмичните методи се изучават антиклинали, куполовидни подувания, разседи, ъглови несъгласия, връзки между различните структури, особености на стратиграфските граници и др. Специално в нефтотърсенето сеизмичните методи играят авангардна роля не само в процеса на търсенето, но и при детайлното проучване и прогнозната оценка на структурите, за да се подготвят те за сондиране и експлоатация [27].



Фиг. 1. Типично разположение на нефтогазоносните залежи в антиклинални структури

    1. Общи понятия за разпространение на сеизмични вълни в реални среди

При преминаването на сеизмични вълни през дадена среда може да се наблюдава отдалечаваща се от източника тясна зона на деформация, в която частиците извършват трептящи движения. Така в еластична среда се отделят три области: външна област на покой, деформирана област и вътрешна област, в която трептеливото движение вече е завършило. Фронт на вълната се нарича повърхността, която отделя деформираната област на средата от областите, в които частиците се намират в покой. Всяка вълна има два фронта: преден и заден. Частиците трептят в три измерения.Профилът на вълнатапоказва колко са отдалечени отделните частици от равновесното им положение. Точките, в които преместването е максимално, се наричат връх (гребен) или дол на вълната. Разстоянието между два съседни върха на вълната се нарича дължина на вълната.Като се съпоставят формите на записите на трептенията в няколко близко разположени точки на пространството или равнината, могат да се получат необходимите данни и се изучи типът на вълните.

    1. Генериране и регистриране на сеизмични вълни

Полевият апаратурен комплекс при работа по системата “вибросеиз” се състои от две основни звена – хидравлични сеизмовибратори и регистрираща сеизмична апаратура. Сеизмовибраторите са мощни хидравлично задвижвани машини, монтирани на специално проектирано високо проходимо превозно средство. Регистрирането на отраженията се извършва от сеизмоприемници, които възприемат механичните трептения на почвата, предизвикани от разпространението на деформацията под форма на еластична вълна, и ги преобразуват в електрически сигнали.Регистрираните сеизмични вълнисе предават към многоканални сеизмични станции, където се извършва предварителна обработка на сеизмичните данни с помощта на специален софтуер, с цели отделяне на слабите полезни вълни и отстраняване на пречещите смутители.

    1. Методи за наблюдение

Преди началото на проучването се съставя проект за работа, в която са описани подробно всички параметри на сеизмичната програма. В зависимост от геоложките и теренни условия се избира подходящ метод на наблюдение – 2D или 3D.

В основата на 2D метода лежи възбуждане на сеизмични трептения, създадени от nизточника, разположени през равни интервали по линии (профили) на възбуждане, и регистрирането на отразени вълни в n точки,разположени през равни интервали по линии на приемане.В общия случай профилите на възбуждане и приемане съвпадат по направление. Системата на 2D наблюдение сe характеризирас един източник, фиксиран по отношение на базата на регистриране.



При търсенето и проучването на залежи от нефт и газ в неантиклинален тип структури се използват площни 3D системи на наблюдение, които осигуряват пространственото изучаване на геоложкия разрез. Опростена схема на такъв тип наблюдения се приема използването на определен брой линейни успоредни профили (фиг.18).При този метод линиите на приемане и линиите на възбуждане са разположени под ъгъл едни спрямо други, като най-широко прилагано е взаимно-перпендикулярното разположение.

    1. Методика на обработка и интерпретация на сеизмичните данни

Обработването на сеизмичните материали преминава през следните обобщени етапи:

  • Предварителна обработка;

  • Построяване на предварителен сеизмичен разрез;

  • Коригиране на статичните и кинематични поправки;

  • Построяване на динамичен дълбочинен разрез.

Цялостната обработка и интерпретация на данните завършва с построяване на структурни карти по опорни сеизмични граници.На тези карти са нанесени използваните профили, стойностите на изодълбочините, селищата и други геоложки, геодезични и геофизични сведения.

    1. Геодезически работи в сеизмопроучването

Непосредствените 2D и 3D полеви сеизмични проучвания се предхождат от цикъл спомагателни работи - геодезически, сондажни, вибросеизни и др. Геодезическите работи започват в най-ранен етап от извършването на сеизмичното проучване и е необходимо да изпреварват достатъчно началото на същинският вибросеиз. В съвременните сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ описаните по-горе геодезически работи се извършват основно с използване на ГНСС методи. Основните видове ГНСС дейности и методи са типизирани в табл. 1.Със специфични изисквания към точността и оперативността на резултатите, те изискват приложението на високоточни геодезически ГНСС приемници, както и на различни методи за обработка и интерпретация на измерванията.

Табл. 1. Основни геодезически дейности в сеизмичните проучвания

Дейности

Изисквания

ГНСС методи

Точност

Оперативност

Създаване на геодезическа основа

2–5 cm

С последваща обработка

Статичен

Трасиране на точки

50 cm

В реално време

RTK, PPP

Определяне на координати на точки

По положение - 20 cm

По височина - 50 cm



В реално време;

С последваща обработка



RTK, PPK, PPP

Основните изисквания към геодезическите работи в сеизмичните проучвания могат да бъдат систематизирани както следва:

  • Независимост – геодезическите работи трябва да могат да бъдат извършвани навсякъде, във всеки район по света, указан от техническото задание, независимо от наличието или липсата на съществуваща геодезическа основа, единични или мрежови инфраструктурни референтни станции в района на работа и пр.;

  • Оперативност – геодезическите работи трябва да изпреварват достатъчно същинските геофизични дейности в проучването, а при необходимост от наваксване на изоставане или внезапна промяна в работния план - да се извършват със значително по-висока скорост от тях. Също така, проектното положение на точките от сеизмичните профили е необходимо да бъде трасирано на терена, поради което геодезическите работи трябва да бъдат извършвани в реално време;

  • Точност – освен независимост от условията и висока оперативност, към геодезическите работи в сеизмичните проучвания има изисквания и за висока точност: 20 cm по положение и 50 cm по височина.

    1. Заключение

Като неизменен компонент от съвременното сеизмично проучване, с цел осигуряване на необходимата точност и производителност, комплексът от геодезически работи е необходимо да бъде извършван по най-съвременните геодезически методи. Като такива могат да бъдат посочени методите, базирани на Глобалните навигационни спътникови системи (ГНСС). Това са единствените методи, които могат да осигурят изпълнение на изискванията за независимост, оперативност и точност на геодезическите работи в рамките на 2-D и 3-D сеизмичните проучвания. Провеждането на последните поставя изисквания за бързи и високоточни геодезически измервания независимо от съществуващите условия в изследвания геоложки район, което представлява предизвикателство дори за най-развитите съвременни ГНСС методи. Това налага адаптиране на съществуващи и търсене на нови ГНСС методи, които да изпълняват в максимална степен основните изисквания пред геодезическите работи в 2-D и 3-D сеизмичните изследвания за търсене на нефт и газ.

Глава 2 - Теоретични основи на съвременните ГНСС методи, прилагани в сеизмичните проучвания за търсене на нефт и газ

    1. Въведение

Във втора глава на дисертацията са разгледани съвременни ГНСС методи, използвани за геодезическо осигуряване в 2D и 3D сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ. Представен е нов, намиращ се все още в експериментална фаза ГНСС метод - WARTK (Wide Area Real Time Kinematic), с приложението на който, могат да бъдат изпълнени в максимална степен изискванията за независимост, оперативност и точност на геодезическите работи.

    1. Основни видове ГНСС

Според обхвата си съвременните ГНСС могат най-общо да бъдат разграничени в два сегмента [25]:

  • Глобални системи

  • Регионални

Системите в тези сегменти осигуряват извършването на единични ГНСС измервания, чиято точносте от порядъка на 15-20 m - твърде ниска за прецизни геодезически приложения. За повишаване на тази точност, в сеизмичните проучвания се прилагат още следните типове системи:

  • Класически ДГНСС;

  • ДГНСС с широк обхват;

  • Усъвършенствани спътникови диференциални системи (SBAS).

    1. Основни понятия от обработката на ГНСС сигнали

Обработката на ГНСС сигнали преминава през няколко основни етапа:

  • Обработка на кодови измервания

  • Обработка на фазови измервания

  • Съставяне на разлики между измерените величини

  • Съставяне на линейни комбинации

  • Оценка на параметри по резултатите от измерванията

2.3.1. Кодови измервания

Формулата за определяне на псевдоразстояние до спътник чрез кодови измервания е:



 (2.1)

където  - измерено псевдоразстояние между ГНСС приемник A и спътник s,  -геометричното разстояние между тях, c - скорост на светлината във вакуум, - комбинирана грешка в скалите за време на спътника и приемника спрямо системното ГНСС време. Геометричното разстояние  се определя по формулата:



, (2.2)

където  - компоненти на геоцентричния вектор на спътника в епоха t; , ,  - геоцентрични координати на неподвижен ГНСС приемник. Грешката в скалите за време на спътницитесе предават в навигационното съобщение.

2.3.2. Фазови измервания

Измерванията на фазите на носещите честоти носят по-висока точност от кодовите. Основният проблем в процеса на тяхната обработка е определянето на точния брой цикли на носещата честота между спътника и приемника. Процесът на това определяне се нарича фиксиране на цикличните параметри. Основното уравнение на фазовото ГНСС измерване в епоха t, изразено в брой цикли, е:



 (2.3)

където  - фазово измерване между приемник A и спътник s,  - действителното геометрично разстояние между тях,  - дължина на вълната на носещата честота,  – целочислен цикличен параметър, с - скорост на светлината във вакуум, - комбинирана грешка от потребителската и спътниковата скали за време.

2.3.3. Разлики между измерваните величини

В математическите модели на относителните ГНСС измервания елиминирането на паразитните величини в (2.1) и (2.3) се извършва с използване на разлики между уравненията на измерванията в референтната и определяемите станции. За целта се използват единични и двойни кодови и фазови разлики.

2.3.4.Линейни комбинации

Линейните комбинации намират приложение в различни етапи на обработката измерванията, в случаите когато е необходимо мерната единица да се скъси или удължи – например, когато се търси фиксирано решение. Получават се след смесване на кодовите и фазовите измервания по L1 и L2, като сума и разлика от тях. Прилагането на математическия апарат на линейните комбинации дава възможност и за определяне на влиянието на отделните източници на грешки в ГНСС измерванията, по следната обобщена формула:



, (2.11)

където - геометрично разстояние между приемника и спътника,  – плаващ цикличен параметър, Т – тропосферна рефракция, I – йоносферна рефракция,



, λi - дължина на вълната на носещата честота.

Линейните комбинации се използват основно чрез техните двойни кодови и фазови разлики. Освен елиминиране на грешките в скалите за време на спътниците и приемниците, двойните разлики по комбинации, в които целочисления характер на цикличните параметри се запазва, отстраняват и систематичните, честотно зависими инструментални закъснения в спътника и приемника. Основните линейни комбинации са:



        1. Широколентови комбинации

, (2.15)

където  86.2 cm,  - широколентов цикличен параметър (цяло число).



        1. Йоносферно независими комбинации

 (2.18)

        1. Геометрично независими комбинации

. (2.21)

      1. Оценка на параметри по резултати от ГНСС измервания

        1. Определяне на цикличните параметри - включва три основни стъпки:

  • определяне на цикличните параметри като реални (плаващи) числа чрез параметрично изравнение по МНМК;

  • генериране на област за търсене на потенциални цели числа на цикличните параметри;

  • оценка на окончателните елементи на базисния вектор с използване на фиксираните към цяло число циклични параметри.

        1. Филтриране по Калман

Вgroup 627
RTK методите, включително WARTK, е необходимо оценяваните величини да се актуализират в реално време. Ето защо в тези методи, за разлика от класическото оценяване на геодезически измервания по МНМК, се използват рекурсивни методи за оценяване на параметри, при които стойността на всяка оценявана величина от дадена епоха се използва като прогноза за стойността ѝ в следващата епоха. Сред най-прилаганите такива методи е филтрирането на Калман, при което оценяването на неизвестните величини се извършва в три рекурсивно повтарящи се стъпки (Фиг. 21):

Фиг. 21. Схема на обработка на данни с Калманов филтър

  1. Изчисляване на коефициентите на усилване на Калман

  2. Актуализация на измерването

  3. Актуализация на епохата

Когато актуализираните състояние и корелации достигнат зададени прагови стойности и критерии се приема, че оценяването е приключено успешно.

    1. Класически ГНСС методи в сеизмопроучването

2.4.1. Въведение

В зависимост от различните качествени критерии, класификацията на съвременните ГНСС методи в общи линии има вида:



  • кодови и фазови методи – в зависимост от използвания за позициониране елемент от демодулирания ГНСС сигнал;

  • едночестотни, двучестотни и мултичестотни – в зависимост от броя на обработваните честоти от ГНСС сигналите;

  • статични и кинематични методи – в зависимост от състоянието на движение/покой на ГНСС приемниците по време на измерване;

  • единични, диференциални и относителни методи – в зависимост от начина на обработка на измерваните ГНСС величини: самостоятелно или съвместно с диференциални корекции или фазови данни от референтни станции. В зависимост от броя на референтните станции диференциалните и относителните методи могат са се осъществяват:

    • с единична референтна станция;

    • чрез мрежи от референтни станции.

  • в реално време или след последваща обработка – в зависимост от оперативността на получаваните резултати;

  • с пасивни, активни и мониторингови перманентни станции – в зависимост от типа на използваната мрежова инфраструктура;

  • с наземна или спътникова комуникация – в зависимост от начина на предаване на корекционните данни от референтните станции към потребителите.

Табл. 2. Видове ГНСС измервания и осигурявана точност

Измервания

Точност

Кодови

SPS+S/A







rectangle 508rectangle 512


SPS







rectangle 507


PPS







rectangle 506


Диференциални

Класически (DGPS)




rectangle 509





Усъвършенствани










Фазови

Кинематични

rectangle 510


rectangle 511





Статични










Видове измервания и резултати:

......

....

.......

rectangle 513rectangle 514
- кодови/фазови






0 1 2 3 4 5

1 5 20 50

1 2 5 10 20 50 100

rectangle 515rectangle 516
- абсолютни/относителни






mm

cm

m

      1. Методи с единична референтна станция

        1. Статичен относителен метод

Извършва се чрез поне два ГНСС приемника,последващата съвместна обработката на измерванията от които позволява фиксиране на цикличните параметри и определяне на пространствения вектор между тях с висока точност. Необходимо условие за това е в двете точки да бъдат наблюдавани еднакви спътници в еднакви епохи от време. Продължителността на наблюденията зависи от разстоянието между референтната и определяемата точка, както и от вида на последната – част от изходна геодезическа основа, подробна точка и пр.

В сеизмичните проучвания статичният относителен метод с единична референтна станция се прилага основно на етапа на създаването на геодезическа основа. Приложението му се осъществява основно чрез фазови двучестотни измервания.



        1. Кинематичен метод в реално време (RTK)

Кинематичните методи в реално време се базират на фазови измервания, извършвани едновременно от неподвижен приемник в референтна станция с известни координати, и от подвижни приемници - в определяемите точки. На базата на разликите между измерените и геометричните разстояния в референтната станция, за всяка двойка „станция-спътник“ се изчисляват т. нар. RTK корекции, които се излъчват в реално време чрез радио- или клетъчни телекомуникационни канали. Това позволява коригиране с висока точност на измерваните от подвижния приемник псевдоразстояния, фиксиране на цикличните параметри в реално време, вследствие на което резултатите от измерванията са налични веднага.

В сеизмичните проучвания метода RTK с единична референтна станция се прилага основно на етапа на трасиране и измерване на точките от сеизмичните профили. Използват се основно двучестотни фазови измервания.



        1. Кинематичен методс последваща обработка(PPK)

Характерно за този метод е сравнително краткото времетраене на наблюденията в подвижните приемници – при последващата обработка на кинематично ГНСС измерване с продължителност от порядъка на десетина секунди се постига сантиметрова до милиметрова точност. По-особеното в случая е, че кинематичното измерване се предхожда от статично определяне на цикличните параметри, с необходимо първоначално време от порядъка на 6-10 min при видимост минимум 5 спътника. Веднъж инициализирани, ГНСС приемници могат да измерват подробни точки с производителност, близка до тази при RTK метода, но резултатите от измерванията са налични не в реално време, а само след съвместната им последваща обработка с наблюденията в референтната станция.

В сеизмичните проучвания методът PPK може да се използва само в случаите, когато подробните точки са предварително трасирани на терена по други методи (чрез стоманен кабел, оптични геодезически методи и др.).



        1. Диференциални методи

Диференциалните методи (ДГНСС) с единична референтна станция, подобно на метода RTK, се базират на неподвижни ГНСС приемници, извършващи измервания в станции с известни координати, и подвижни приемници, извършващи кинематични измервания в определяемите точки. За разлика от метода RTK, при който се предават фазови измервания и корекции, в диференциалните методи измерванията на подвижните приемници се коригират с т. нар. диференциални корекции – поправки към псевдоразстоянията, данни за орбитите и грешки в скалите за време на спътниците, поправки за йоносферната рефракция и др.

      1. Мрежови методи

Мрежовите методи се реализират чрез мрежова инфраструктура, състояща се референтни станции, свързани по различни комуникационни канали - интернет, телефонни линии и др., - с контролен изчислителен център. За разлика от методите с единични станции, мрежовите методи осигуряват работа с висока точност на значително по-големи разстояния от референтните станции, както и по-точно определяне на параметрите, водещи до поява на грешки в измерванията – йоносферна и тропосферна рефракция, грешки в орбитите на спътниците и др. В зависимост от вида и оперативността на данните, събирани в мрежовите инфраструктурни референтни станции, могат да бъдат разграничени няколко основни типа:

  • пасивни перманентни станции;

  • активни перманентни;

  • перманентни станции за мониторинг.

В зависимост от метода на ГНСС позициониране, който се осигурява с данните от мрежовите станции, основните мрежови методи могат да се разделят на:

  • Мрежови относителни методи – реализират са в два режима:

  • в реално време (RTK);

  • с последваща обработка (статични.

  • Мрежови диференциални методи

        1. Мрежови методи с пасивни перманентни станции

Пасивните перманентни станции са част от различни по площ на покритие и предназначение инфраструктурни мрежи, които основно се делят на:

  • глобални (IGS);

  • континентални - EUREF (Европа) и др.;

  • регионални - AUSPOS (Австралия и Азия) и др.

Мрежовият относителен метод с данни от пасивни перманентни станции се прилага на етапа на създаване на геодезическа основа за сеизмични проучвания, намиращи се в отдалечени и труднодостъпни области, където липсват съществуващи опорни геодезически мрежи.

        1. Мрежови методи с активни перманентни станции

          1. Диференциални методи

При тези методи мрежовите диференциални корекции се предават в реално време към подвижните приемници посредством радио- или клетъчна комуникация. В общия случай корекциите представляват усреднени поправки към псевдоразстоянията, измервани в референтните станции. Постижимата точност е до половин метър.

          1. Относителниметоди

Мрежовите относителни методи осигуряват фазови измервания или корекции към тях, в реално време (RTK) или за последваща обработка, оптимизирани чрез моделиране на физическите източници на грешки в обхвата на нейното покритие. Корекциите за работа в реално време се предават посредством радио- или клетъчни комуникации, а суровите измервания за последваща обработка - чрез поръчка и изтегляне от интернет. Основните видове мрежови относителниподходи са следните:

  • Виртуална референтна станция (VRS)

Основната концепция, заложена при метода VRS, е преобразуване на реални ГНСС измервания от физически референтни станции в изкуствени ГНСС измервания, отнесени към местоположението на несъществуващи, т. нар. виртуални референтни станции. Това се постига чрез двупосочна комуникационна връзка, което позволява разполагането им на незначително разстояние от истинското местоположение на подвижните приемници.

  • Метод на площните поправки (FKP)

Те се генерират за една избрана референтна станция (обикновено най-близката до подвижния приемник) от наблюденията в цялата мрежа ипредставляват линейни корекционни параметри, описващи поведението на всички компоненти на грешките в ГНСС измерванията в рамките на обхват на мрежата [21, 23].

  • MAX корекции

Създаването на тези корекции се базира на организиране на станциите от дадена инфраструктурнамрежа в отделни групи и клетки. Корекциите за всички станции от групата се предават към подвижния приемник, който на място решава кои са най-удачни за конкретното му местоположение и извършва интерполация към избраната главна станция (която не е задължително да бъде главната).

От гледна точка на геодезическите работи в сеизмичните проучвания приложението на мрежовите относителни методи е удобно и удачно, тъй като се избягва необходимостта от разполагане на собствени референтни станции. Проблеми в прилагането на тези методи произтичат от необходимостта от изградена мрежова ГНСС инфраструктура, както и от двупосочна връзка с мрежовите сървъри чрез мобилни интернет комуникации.



        1. Мрежови методи чрез станции за мониторинг и геостационарни спътници

Тези методи се базират на мрежи от перманентни мониторингови станции, на базата на измерванията от които се генерират диференциални корекции, които се предават към потребителите посредством геостационарни спътници. OmniSTAR е основната и най-използвана към момента глобална мрежоваДГНСС с широк обхват. Осигурява корекции за работа в реално време с три нива на точност:

  • виртуална референтна станция (VBS) – точност до метър;

  • разширена услуга (XP)– точност под 20 cm;

  • високоточна услуга (HP) – точност под 10 cm.

Системата OmniSTARсе използва успешно в сеизмичните проучвания, особено в отдалечени и труднодостъпни области – Северна Африка, Югоизточна Азия и другаде.Съществено неудобство обаче представлява необходимостта от продължителна инициализация.

EGNOS ерегионална SBAS система, осигуряваща корекции за работа в реално времена територията на Европа и част от Северна Африка.Състои се от 34 перманентни станции за мониторинг, 4 контролни станции и 3 геостационарни спътника. Тя не намира самостоятелно приложение в 2D и 3D сеизмични изследвания за търсене на нефт и газ,а се използва като помощна инфраструктура от основния метод, разгледан в дисертацията – метода WARTK.



      1. Формати за обмен на данни

Най-популярните формати за обмен на данни при съвременните единични и мрежови ГНСС измервания са следните:

2.4.4.1. RINEX - служи за обмен и съвместна обработка на ГНСС данни, извършвани с различни търговски марки приемници.

2.4.4.2.RTCM - служи за предаване на корекции между базов и подвижен ГНСС приемник.

2.4.4.3. NTRIP- протокол, регламентиращ предаването на RTCM съобщения по интернет.

2.4.4.4.NMEA-0183 - служи за обмен наданни между различни видове електронни устройства, включително ГНСС приемници.

2.4.5. Обобщение

Един от най-съществените недостатъци на класическите RTK методи е ограничеността на приложението им на разстояния до 10 km от референтните ГНСС станции. По-съвременна алтернатива на класическия RTK метод с единична станция са мрежовите RTK методи – VRS, FKP, MAX, осигуряващи възможност за работа с фиксирани циклични параметри на разстояния до 30-35 km от референтните станции на инфраструктурните мрежи. Недостатъкът на мрежовите RTK методи е необходимостта от изградена инфраструктура от активни ГНСС станции, каквато често не е налице в интересните за сеизмични проучвания райони.Друга алтернатива е прилагането на диференциални корекции от системата OmniSTAR, чиято услуга XP осигурява прецизни данни за спътниковите орбити и грешки в скалите за време, предавани в реално време към подвижните приемници от геостационарни спътници. Недостатъкът на този подход се състои в продължителното начално време - над 15 минути, необходимо за инициализация до изискваната в сеизмичните проучвания 20 cm точност.



2.5. WARTK – съвременен мрежов диференциален метод за определяне на местоположение

      1. Въведение

Методът WARTK (WideAreaRealTimeKinematic) е разработен в края на 90-те години от научно-изследователската група по астрономия и геоматика gAGE към Каталунския политехнически университет (UPC) в Барселона. Според вида на корекциите, които осигурява – поправки към йоносферното влияние,и начинът за тяхното създаване – чрез мрежа от референтни станции, отдалечени до 1000 km една от друга, WARTK спада към диференциалните ГНСС методи с широк обхват. Методът дава възможност за фиксиране на циклични параметри в реално време от подвижни приемници на разстояния над 400 km от тези станции. Съгласно договореност с ESA, WARTK използва наземната и спътниковата инфраструктура на системата ЕGNOS[2,3,4], (Фиг. 30).



Фиг. 30. Разположение на RIMS станциите на системата EGNOS в Европа и Северна Африка

      1. Същност на влиянието на йоносферата и начини за неговото определяне

Йоносферата представлява пласт от йонизирани от слънчевата радиация свободни електрони, разположен между 50 и 1000 km от земната повърхност. Свободните електрони в йоносферата не са равномерно разпределени, а образуват променливи и бързо изменящи се нееднородни слоеве и облаци, които оказват съществено влияние върху преминаващите през тях ГНСС сигнали. Йоносферното влияние Iе с противоположен ефект – модулиращите кодовете закъсняват, а носещите фази избързват. Стойността на тези изменения може да бъде изразена чрез величината TEC, отразяваща общото количество свободни електрони Ne, интегрирано по линия на разпространение на сигнала между спътник s и приемник A:

 (2.49)

където, (Total Electron Content) - общо съдържание на електрони по лъча на разпространение на сигнала между спътника и приемника,  - геометрично разстояние по тази линия.Величината за измерване на TEC се нарича TECU: 1 TECU = 1016Ne/m2.В линейна мярка йоносферното влияние се изразява чрез величините VTEC (Vertical TEC) и STEC (Slant TEC), интегриращи стойността на TEC по съотв. зенитното и истинското (насочено) направление на лъча между спътника и приемника.

Същността на метода WARTK се основава на използването на прецизен йоносферен модел, създаден на базата на йоносферна томография чрез наблюдения в перманентни референтни станции. На базата този модел, в комбинация с паралелно моделиране на тропосферата и поведението на цикличните параметри от същите тези наблюдения, се генерират диференциални йоносферни STEC поправки, предавани към потребителите по радио или клетъчни канали, или от геостационарни спътници (Фиг. 31). Те позволяват бързо фиксиране на цикличните параметри в кинематичен режим, с постигане на дециметрова точност на разстояния над 400 km от мрежовите референтни станции [2].


      1. Създаване на диференциални STEC корекции

Създаване на диференциални STEC корекции чрез наблюдения в мрежа от референтни станции се извършва в няколко стъпки:

  • Определяне в реално време на йоносферен модел;

  • Оценка в реално време на тропосферната рефракция и плаващите стойности на тяснолентовите цикличните параметри;

  • Фиксиране на циклични параметри;

  • Определяне на диференциални STEC корекции за референтните станции;



Фиг. 31. Същност на метода WARTK

        1. Създаване на йоносферен модел

Йоносферният модел е дефиниран от два слоя пространствени триизмерни клетки, ориентиран в геоцентричнаинерциална координатна система (Фиг. 32).



Фиг. 32. Меридианен разрез на двуслоен йоносферен модел за определяне на STEC

Броят на свободните електрони в двуслойния модел може да се определи чрез величината STEC със зависимостта:



 (2.50)

където m,l и n- индекси на отделните клетки от модела (m - местно време, l - географска ширина, n- височина над повърхността),  - количество свободни електрони във вокселите,  - сумарната геометричната дължина на сигнала, преминаващ през клетките m ,l, n; Стойностите за STEC се оценяват в реално време чрез Калманов филтър.



        1. Моделиране на тропосферната рефракция и йоносферно независимите циклични параметри

Освен за създаване на йоносферен модел, ГНСС измерваниятав референтните станции се използват и за паралелно оценяване, също в реално време, на остатъчната тропосферна рефракция Т (след прилагане на стандартен атмосферен модел) и тяснолентовия цикличен параметърBC. За целта се прилага научноизследователски софтуер от типа на Bernese или GIPSY-OASIS и прецизни ефемериди. Използват се двойните разлики по йоносферно независимата комбинация LC (2.18). Получената от софтуера оценка за тропосферната рефракция се използва при фиксирането на цикличните параметри по широколентовата комбинация. Плаващата оценка за BC служи като корекция при окончателното фиксиране на цикличните параметри по йоносферно независимата комбинация.

        1. Фиксиране на циклични параметри по широколентовата комбинация

Определените в предишните стъпки оценки за тропосферната рефракция T, йоносферно независимите циклични параметри  и йоносферната рефракцияI от томографския модел, дават възможност за коригиране на геометричните разстояния между референтните станции и спътницитеи фиксиране на цикличните параметри. За целта се използват двойни разлики по широколентовата комбинация (2.14):

        1. Фиксиране на тяснолентови циклични параметри по йоносферно независимата комбинация

След фиксиране на цикличните параметри по широколентовата комбинация следва окончателно фиксиране на цикличните параметри по йоносферно независимата, с използването на определения с достатъчна точност от научноизследователския софтуер тяснолентов цикличен параметър . След неговото фиксиране се определят и окончателните фиксирани стойности за  и :

        1. Определяне на диференциални йоносферни STEC корекции по геометрично независимата комбинация

От получените стойности за  и  се определят двойни разлики за йоносферните корекции STEC за референтните станции, с използването на геометрично независимата комбинация:

 (2.57)

Стойностите на STEC се изчисляват за всяка двойка спътник-референтна станция. Всички стойности се проверяват чрез оценка с Калманов филтър, като се приемат само тези, определени сгрешка </2 = 2.7 cm. Тестовете показват, че получаването на тези стойности в достатъчен процент от случаите става при височина на наблюдаваните спътници над 20°. Получените за референтните станции от мрежата йоносферни корекции се предават към потребителите посредством радио- или клетъчни канали, или от геостационарни спътници.



      1. Прилагане на диференциалните STEC корекции в подвижните приeмници

Фиксирането на цикличните параметри в подвижните приемници се извършва в няколко стъпки:

          • Интерполация на получените STEC корекции;

          • Оценка на йоносферно независими циклични параметри в реално време;

          • Фиксиране по широколентовата комбинация;

          • Фиксиране по геометрично независимата комбинация;

          • Фиксиране на тяснолентовия цикличен параметър по йоносферно независимата комбинация;

          • Изчисляване на координати в реално време.

        1. Интерполация

Получените от референтните станции йоносферни корекции се интерполират спрямо точното местоположение на подвижните приемници. Използва се линейно интерполиране по разстоянието между приемниците и станциите.

        1. Оценка на тяснолентовия цикличен параметър по йоносферно независимата комбинация

Подвижният приемник извършва в реално време кодови и фазови измервания и съставяне на двойни разлики от йоносферно независими комбинации са всяка двойка приемник-спътник. Определянето на неизвестните параметри в тези комбинации (2.18) – координати на точката, циклични параметри , орбити на спътници и тропосферна рефракция - се извършва чрез Калманов филтър. При започване на измерването първоначалните оценки, получени от филтъра за цикличните параметри са плаващи числа., които се използват като корекция към широколентовата комбинация.

        1. Фиксиране на цикличните параметри по широколентовата комбинация

Фиксирането на цикличните параметри се извършва първо по широколентовата комбинация. За целта, комбинацията се коригира с интерполираните йоносферни STEC корекции, йоносферно независима комбинация и плаващата оценка на . Тази процедура се извършва за всяка двойка спътник-подвижен приемник, за която има надежднo определени йоносферни корекции (грешка <2.7 cm). Фиксираните стойности се определят чрез закръгляне към най-близкото цяло число

        1. Фиксиране на цикличните параметри по геометрично независимата комбинация

След фиксиране на двойните разлики на цикличните параметри по широколентовата комбинация, се пристъпва към тяхното фиксиране по L1 и L2, чрез съставяне на геометрично освободени комбинации LI и коригирането им с йоносферните корекции STEC и фиксираните широколентови циклични параметри 

След определяне на цикличните параметри N1иN2може да се изчисли фиксираната стойност на тяснолентовия цикличен параметър, чрез:



. (2.61)

Всяка фиксирана стойност за BCсе въвежда като допълнително псевдонаблюдение в Калмановия филтър на потребителския софтуер. Експериментално е установено [10], че с период на актуализиране на филтъра от 2 min и без прилагане на техники с области за търсене, стойностите на грешката на  достигат под критичната стойност от 21.5cm след три актуализации на филтъра, т.е. за инициализация са нужни 6 min. С прилагане на методиза генериране на област за търсене на циклични параметри и мултичестотни измервания инициализацията отнема от 10-50 s при 400 km-вибазисни вектори до моментално при 100 km-ви вектори [45].



      1. Експериментални резултати

В тази точка са представени някои по-важни резултати от различни експерименти, проведени от учените в gAGE/UPC, съвместно с ESA и други научно-изследователски организации и агенции. На Фиг. 34 е илюстрирана точността и времето за инициализация на WARTK 3.2 спрямо класическите ГНСС методи.

canvas 693autoshape 1

2.5.3.1. Проект FES-WARTK

В рамките на този проект са изследвани точността, интегритета и времената за инициализация по метода WARTK. Интегритета е представен чрез показателите за хоризонтално и вертикално ниво на защита (HPL и VPL).



Табл. 4. Резултати от проекта FES-WARTK




Време за инициализация

Хор. точност

Верт. точност

Хор. ниво на защита (HPL)

Верт. ниво на защита (VPL)

GPS (базисен вектор ~ 250 km)

< 10 min

< 5 cm

< 10 cm

~ 20 cm

~ 40 cm

GPS+Galileo (базисен вектор ~ 250 km)

< 30 sec

< 5cm

< 10 cm

~ 20 cm

~ 40 cm

GPS (базисен вектор ~ 410 km)

< 10 min

10 cm

15 cm

~ 40 cm

~ 60 cm

GPS+Galileo (базисен вектор ~ 410 km)

< 30 sec

10 cm

15 cm

~ 40 cm

~ 60 cm

2.5.3.2. Съвместимост между WARTK и EGNOS

В тази точка са показани резултати, получени в рамките на експеримент на gAGE-UPC[48]. Целта му е установяване на поведението на системата EGNOS чрез позициониране с WARTK корекции, генерирани с използване на нейната мрежова инфраструктура. Този експеримент доказва успешната взаимна съвместимост между WARTK и различните сегменти на системата на EGNOS (станции и спътници).

2.5.4. Обобщение

Методът WARTK представлява иновационен, модерен и удобен начин за създаване и разпространяване на диференциални корекции за геодезически приложения с дециметрова точност. Методът е изключително подходящ за приложение в изолирани места, отдалечени на стотици километри от изходни референтни станции и опорни геодезически мрежи. Намира се все още в експериментална фаза, като функционалността му се изследва и подобрява по най-съвременни методи, включително чрез симулатори на Galileo и EGNOS сигнали в лабораторни условия. Резултатите от проведените през годините множество изследователски проекти показват успешната приложимост на WARTK и големия потенциал за неговото използване в най-различни сфери от геодезията, включително за сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ.



2.6. Заключение

В съвременните 2D и 3Dсеизмични изследвания за търсене на нефт и газ, намират приложение широк диапазон геодезически ГНСС методи – диференциални и относителни, статични и кинематични, мрежови и единични. RTK методите осигуряват достатъчна за сеизмичните проучвания точност от 20 cm в реално време на разстояния до 10 km от единични референтни станции, и до 35 km чрез RTK корекции от активни мрежови перманентни станции. Диференциалните корекции на системата OmniSTAR позволяват работа на значително по-големи разстояния от своите перманентни мониторингови станции, с достатъчна точност, която обаче изисква продължителни периоди за инициализация на приемниците. За разлика от тези методи, WARTK осигурява моментална инициализация и работа с фиксирани циклични параметри на разстояния над 400 km от мрежови референтни станции. Същността на този метод се състои в прецизно моделиране на йоносферата в реално време и предаване на йоносферни STEC корекции към потребителите. Основното направление на развитие на метода WARTK е с използване на перманентните станции за мониторинг на системaта EGNOS, което осигурява площ на покритие на метода в Европа и значителна част от Северна Африка. Резултатите от проведените експериментални проекти показват, че WARTK може да замени успешно класическите и мрежови диференциални и RTK методи, корекциите от системата OmniSTAR и изобщо всички методи, използвани към момента за трасиране и измерване на точки в сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ.




Каталог: docs -> N Juri
N Juri -> Конкурс за академична длъжност "Доцент" по професионално направление 8 „Проучване, добив и обработка на полезните изкопаеми", специалност „Обогатяване на полезни изкопаеми"
N Juri -> Конкурс за професор по Професионално направление Науки за земята
N Juri -> Конкурс за професор по научно направление 8 „проучване, добив и обработка на полезни изкопаеми" специалност „минно строителство"
N Juri -> И. Паздеров І. Дисертация и публикации, които са части от дисертационния труд
N Juri -> 19. Резюмета на трудовете, с които кандидатът участва 7а. Научни публикации до получаване на онс „Доктор“ (научна степен „Кандидат на техническите науки“), 1978-1988 г
N Juri -> Конкурса за получаване на научното звание "професор" по Професионално направление „Проучване, добив и обработка на полезни изкопаеми"
N Juri -> Конкурс за академичната длъжност „професор" по професионално направление Проучване, добив и обработка на полезни изкопаеми, специалност "Техника и технология на взривните работи" за нуждите на катедра Подземно строителство
N Juri -> С п и с ъ к на научните и научно-приложните трудове на доц д-р Венелин Желев Желев
N Juri -> Конкурс за академичната длъжност „професор" по професионално направление Икономика, специалност „Икономика и управление по отрасли"
N Juri -> Моделиране показатели на находища на подземни богатства и свързани с тях обекти чрез компютърни системи


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница