CC BY
13
УДК 629.783:551.24
А.П. Карпик, К.М. Антонович, Ю.В.Сурнин, С.А. Ванин, А.Н. Клепиков, Е.Г. Гиенко, Е.К. Фролова СГГА, Новосибирск
ПРОЕКТ СЕТИ АКТИВНЫХ СТАНЦИЙ ДЛЯ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ
Активная ГНСС станция состоит из непрерывно наблюдающего приемника сигналов, подаваемых спутниками систем ГЛОНАСС и GPS, компьютера и источника бесперебойного питания. Оптимальный тип приемника - двухчастотный, двухсистемный. Опционально на станции может быть метеорологическое оборудование, атомный стандарт частоты и система для удаленного включения и выключения. Станция должна иметь выход в Интернет и/или в сеть ГСМ для оперативной передачи данных пользователям. Расстояния между станциями равны, в среднем, 80 км [7].
Каждая станция должна иметь координаты в системах ITRF, WGS-84, СК-42, СК-95 на уровне точности, соответствующем решению поставленных геодезических задач.
Первая в мире сеть постоянно действующих станций CORS была создана в США совместно Национальной геодезической службой (НГС, NGS), Береговой охраной (US CG - Coast Guard) и Корпусом инженеров Армии (US ASE). Наблюдения на сети CORS начались в феврале 1994 г. с одного пункта, когда фирма Trimble Navigation установила один из её геодезических приёмников в Национальном институте Стандартов и Технологий в Гайтерсбурге (штат Мэриленд) по долгосрочному займу. Первоначальный проект был ориентирован на сеть из 100-150 точек со средним расстоянием между ними около 200 км. Сейчас сеть CORS в США состоит из более 1200 пунктов Национальной и Кооперативной сетей CORS.
В НГС была разработана действующая политика для сети CORS. Она включают в себя следующие положения:
- НГС обеспечивает данными о приёмниках и координатах точек online для пользователей, бесплатно;
- НГС преобразует все данные приёмников в общедоступный RINEX формат;
- НГС обеспечивает пункты метеорологическими данными в RINEX формате.
НГС хранит данные от всех точек online в течение 31 дня. В конце этого периода, чтобы регулировать требования компьютерного хранения данных, эти данные убираются с линии и архивируются. Однако по запросу пользователей CORS могут временно восстановить ограниченный объём данных на линии до 7 суток уже за плату.
Разработаны требования по режиму функционирования сети, составу оборудования и программного обеспечения, расположению пунктов, привязке к системам координат, доступности информации и т. п.
Первоначальное назначение непрерывно действующих станций -обеспечение пользователей файлами наблюдений с опорных пунктов. Уже
один тот факт, что наблюдатель мог определять свои координаты, используя один приемник, способствовало широкому распространению массивов непрерывно работающих станций. Данные некоторых станций использовались для определения орбит, дифференциальных поправок для широкозонных систем ЭОРБ, геодинамического мониторинга и решения ряда других задач [8].
Подобные сети были созданы во многих странах мира [1, 3]. В России функционирует около 15 опорных станций, входящих в сеть Международной ГНСС службы, работает несколько станций Роскартографии, а также имеется несколько коммерческих опорных станций (например, при ГАИШ в Москве, в Екатеринбурге).
Во второй половине 1990-х годов появился режим множественных опорных станций, другое название - сетевой метод кинематики в реальном времени [1, 4, 7]. Эта технология получила бурное развитие за последние три года, за это время было создано более 100 сетей из постоянно действующих базовых станций в Европе, Северной Америке и Азии. Технология сетевого метода ЯТК возникла на стыке направлений ГНСС позиционирования, беспроводной связи и специального программного обеспечения для быстрого и точного координирования объектов. Одной из разновидностей этой технологии метод виртуальной опорной станции (ВОС). Технология состоит в использовании системы постоянно действующих опорных ГНСС станций. В этом случае результаты измерений всех станций активной сети передаются по линиям связи на главную станцию, являющуюся вычислительным центром. На этой станции устанавливается компьютер со специальным программным обеспечением [2].
Метод виртуальной опорной станции состоит из трех основных процессов: вычисление дифференциальных поправок для станций сети, интерполирование поправок и передача поправок. При вычислении сетевых поправок используют наблюдения, выполненные на станциях опорной сети. Это обычно делается по наблюдениям фазы несущей с фиксированными неоднозначностями между станциями сети. Таким образом, фиксирование неоднозначностей между этими станциями - главная часть процесса. Во втором процессе сетевые поправки интерполируются, чтобы определить влияние коррелированных ошибок на положение пользователя. Третья часть - генерация измерений виртуальной опорной станции, чтобы передать поправки мобильному приемнику с обычным программным обеспечением для кинематических измерений.
В общем виде процесс выполнения дифференциальной коррекции местоположения потребителей выполняется в автоматическом режиме и проходит следующие этапы:
Данные с опорных ГНСС станций сети непрерывно передаются в вычислительный центр;
- Выполняется уравнивание наблюдений с разрешением фазовых неоднозначностей для базовых линий сети, из него находятся координаты станций и параметры атмосферы;
- Выполняется мониторинг целостности как для всей сети, так и для отдельных приемников, грубые измерения исключаются из обработки;
- Координаты станций из мгновенного решения сравниваются с известными координатами опорных станций, и формируется матрица невязок;
- Получающиеся невязки используются для построения линейных или более сложных моделей ошибок (на основе фильтра Калмана), служащих для предсказания ошибки положения пользователя;
- Пользователь отсылает навигационные координаты своего местоположения в вычислительный центр системы;
- По данным о местоположении пользователя и реальным измерениям, поступающим с опорных станций, генерируются наблюдения для виртуальной опорной станции c учетом состояния тропосферы и ионосферы, положения фазового центра, зависящего от типа антенны, и с исключением многопутности;
- Дифференциальные сетевые данные передаются пользователю по стандартным протоколам и форматам;
- Приёмник интерпретирует данные виртуальной станции как данные реально существующей физической станции и, быстро вычислив короткую базовую линию от ВОС, находит свои координаты [1, 2].
Таким образом, активные опорные станций создают в пределах контура сети и на расстояниях до 10-20 км от него высокоточное координатно-временное поле.
Виртуальные опорные GPS станции объединяют строгость сетевого решения с комфортом решения одиночной базовой линии. Подобные результаты получаются, когда данные ГНСС приемника обрабатываются с виртуальной опорной ГНСС станцией как со всей сетью, в которой зафиксированы положения всех опорных станций. Точность базовой линии с мобильным приемником, выраженная через его средние квадратические ошибки,
улучшается в ^(п + 1)/2п раз, где п - число опорных станций в сети.
Например, для 5 опорных станций этот коэффициент равен 0.77, который близок к максимально возможному улучшению в 0.71 раз, то есть повышение точности незначительное [7].
По сравнению с решением одиночной базовой линии, в котором используется ближайшая опорная станция, преимуществами виртуальной станции являются:
- Качество, доступность и надежность сетевого решения в течение 24 часов за сутки,
- Используются данные, которые были проконтролированы,
Не нужна сложная обработка (можно использовать бортовые эфемериды и простые модели),
- Не нужно формировать комбинацию, свободную от влияния ионосферы, достаточно обработать только виртуальные данные для несущей
11, то есть одночастотным приемником можно работать на больших расстояниях от опорных станций,
- Более надежное разрешение неоднозначностей, достигаемое за более короткий период наблюдений и по меньшему количеству опорных станций,
- Пользователь имеет возможность применять свои приемники и программы обработки, без приобретения какой-либо специальной программы обработки фазовых наблюдений;
Метод допускает применение дешевой аппаратуры и исполнителей с невысокой квалификацией;
Для распределения данных виртуальных станций между пользователями хорошо подходит интернет и мобильная телефонная связь
[7].
На рис. 1 приведен проект сети активных станций для Новосибирской области. Он включает около 25 станций, располагающихся в областном центре и в районных центрах. Это связано с тем, что именно здесь имеется достаточно развитая инфраструктура, позволяющая реализовать метод с максимальной эффективностью. В качестве иллюстрации приведем охват Новосибирской области мобильной связью (рис. 2) Отсутствие пунктов между Северным и Пихтовкой не повлияет на точность сетевых решений. Но для выполнения геодезических работ здесь потребуется обычная спутниковая технология, применяемая в непрерывно действующих сетях станций. В отличие традиционных методов построения сетей в методе ВОС не нужно закладывать большое количество центров, строительство дорогостоящих знаков.
Рис. 1. Проект специальной активной геодезической сети для Новосибирской
области
Рис. 2. Охват территории Новосибирской области сетью МТС
Применение активных опорных сетей охватывает почти все области координатных определений. При этом достигаются существенные преимущества по сравнению с традиционными методами геодезии.
Геодезия и кадастр:
- Не нужно устанавливать вторую спутниковую аппаратуру на опорном пункте и следить за ее сохранностью, благодаря чему, примерно, в полтора раза увеличивается производительность полевых работ по сравнению со штатным режимом измерений,
- Повышение точности полевых данных за счет использования данных вычислительного центра сети,
- Совместимость спутниковой аппаратуры с ГНСС-инфраструктурой,
- Есть возможность получать на месте координаты и высоты в нужных системах [5, 6] .
Геоинформационные системы города и районных центров:
- Точная и своевременно обновляемая картографическая основа территории - одно из необходимых условий ГИС,
- Вынос ГИС-объектов на местность в режиме реального времени.
- Строительство и системы управления строительными машинами:
- Применение АКО на строительных площадках для контроля точности в 1-2 см в режиме реального времени,
Автоматическое управление строительными машинами.
НОВОСИБИРСК
Р^С'КЙТЙЙ
1.МАСЛЯНИНО
БОЛОТНОЕ
♦Т-ОГ-УЧИН
Лесное и сельское хозяйство:
Применение при движении машинно-тракторного агрегата в поле с точностью 0,1 м позволяет без нарушения агротехнических требований, снизить расход топлива и износ техники, более эффективно использовать обычную широкозахватную технику, экономить семена, химикаты, удобрения.
Маркшейдерия и деформационный мониторинг:
- Автоматизация слежения за динамикой объектов,
- Своевременное предупреждение аварийного состояния объектов.
Гидрография:
- Данные АКО можно использовать оперативно во всем спектре морских строительных, дноуглубительных и гидрографических работ круглосуточно, в любую погоду, увеличивая безопасность и пропускную способность порта.
Коммунальные службы:
- В странах Западной Европы и США коммунальные службы городов -основные потребители GPS-инфраструктуры.
Диспетчерские системы:
- Системы слежения за автотранспортом,
- Паспортизация дорог с помощь дорожных лабораторий,
- Реконструкция и строительство новых дорог.
Аэрофотосъемка и лазерное трехмерное сканирование:
- Сокращение объемов работ по привязке аэрофотоснимков,
- Привязка измерений лазерным сканером выполняется во время измерений.
Метеорология:
Содержание паров воды в атмосфере, вычисленное из обработки спутниковых наблюдений, может быть использовано Гидрометцентрами для прогнозирования погоды. Эти данные, в отличие от аэрологического зондирования, могут поступать круглосуточно, не прекращаются в сложных погодных условиях (порывистый штормовой ветер, низкие температуры и т.д.) И не требуют дополнительных затрат на расходные материалы и инфраструктуру.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т. 2 [Текст] / К.М. Антонович. - М.: Картоцентр, Новосибирск: Наука - 2006. -360 с.
2. Ванин, С.А. Создание навигационной инфраструктуры для обеспечения градостроительной деятельности [Текст] / С.А. Ванин // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - 2007. - № 1 (24). - С. 79 - 80.
3. Сурнин, Ю.В. О концепции создания активных опорных геодезических сетей с помощью систем связи и навигации [Текст] / Ю.В. Сурнин, С.В. Кужелев // Междунар. научно-техн. конф. «Спутник. системы связи и навигации», Красноярск, 30 сент.-3 окт. 1997 г., Т. 1. - Красноярск: КГТУ, 1997. - С. 133-134.
4. Fotopoulos, G. An Overview of Multi-Reference Station Methods for cm-Level Positioning [Text] / G. Fotopoulos, M.E. Cannon // GPS Solutions. - 2001. - Vol. 4, No. 3. - P. 1-10. - Англ.
5. Jäger, R. State of the art and present developments of a general concept for GPS-based height determination [Text] / R. Jäger // Proc. of the 1-th Workshop on GPS and Mathematical Geodesy in Tanzania (Kilimanjaro Expedition 1999). Oct. 4, 1999, University College of Lands and Architectural Studies (UCLAS), Dar Es Salaam. - Англ.
6. Jäger, R. Precise Vertical Reference Surface Representation and Precise Transformation of Classical Networks to ETRS89 [Text] /Jäger, R., Kälber, S., Schneid, S., S. Seiler // ITRF - General Concepts and Realisation of Databases for GIS, GNSS and Navigation Appl. in and outside Europe. Proc. GNSS2003 - The European Navigation Conference, Graz, April 22-25, 2003. - Англ.
7. van der Marel, H. Virtual GPS reference stations in The Netherlands [Electronic resource] / H. van der Marel // Proc. of the 11th Intern. Technical Meet., Algorithms and Methods ION-GPS '98, Nashville, USA, 15-18 September 1998, part I. - P. 49-58. - Англ. -Режим доступа: http://enterprise.lr.tudelft.nl/mgp/modules/Papers/files/ion98vir.pdf
8. Spofford, P.R. National Geodetic Survey Continuously Operating Reference Station project. Status and Plans. [Text] / P.R. Spofford, N.D. Weston // ACSM Bulletin. - 1998. - No. 172. - P. 20-25. - Англ.
© А.П. Карпик, К.М. Антонович, Ю.В. Сурнин, С.А. Ванин, А.Н. Клепиков, Е.Г. Гиенко, Е.К. Фролова, 2007
