Источник: Инжиниринговый центр ГФК Официальный сайт
Евстафьев Олег Валерьевич
Директор направления спутниковых систем позиционирования «Инжиниринговый Центр ГФК»
Наряду с традиционными методами ориентирования на местности и определения местоположения объектов уже широко используемая спутниковая навигационная технология (GPS, ГЛОНАСС…), которая позволяет определять географические координаты объектов и людей в любом месте земного шара в любое время суток при любых погодных условиях и с постоянной точностью.
Спутниковая технология определения местоположения имеет преимущества перед традиционными методами наземного ориентирования и засечек, позволяет получать пространственные координаты без использования внешних видимых ориентиров на местности, сокращает время и упрощает сам процесс.
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)- системы, включающие в себя набор искусственных спутников Земли (ИСЗ) на средних круговых орбитах, передающих радиосигналы наземным пользователям для осуществления ими определения положения в пространстве с помощью приемной аппаратуры, а также станции слежения, центры вычисления параметров орбит, параметры системы координат и времени, в которых определяются положения спутников и пользователей. В настоящее время функционируют американская ГНСС GPS (24 основных спутника), российская ГЛОНАСС (19 действующих КА), развиваются европейская ГНСС Galileo, китайская COMPASS, японская QZSS, индийская IRNSS
Определение местоположения с помощью ГНСС абсолютным способом происходит методом пространственной засечки. Спутники выполняют роль опорных пунктов, координаты которых всегда известны (прогнозируются и вычисляются по эфемеридам) на каждый момент времени. Координаты объекта находят способом засечек по измерениям расстояний до спутников ГНСС при помощи аппаратуры на земле.
Расстояние до спутника определяются по времени задержки радиосигнала, излученного спутником. ГНСС приемники используют точные часы, корректируемые по атомным часам спутников. Точность определения координат абсолютным способом с помощью ГНСС составляет несколько метров.
Там где данная точность недостаточна, например при выполнении геодезических измерений, кадастре объектов недвижимости, маркшейдерских съемок требуется применение дифференциальной методики (относительного метода) для определение местоположения с большей точностью. Данный метод подразумевает использование опорного (базового, референцного) приемника ГНСС для получения уточняющей корректирующей информации (дифференциальных поправок).
Разработано множество алгоритмов дифференциальной коррекции, позволяющие определять координаты, расстояния на между точками с точностью до см долей мм. Измерения могут выполняться в двух режимах: с накоплением спутниковых данных и их последующей обработкой для получения результатов или в режиме реального времени, когда спутниковые дифференциальные поправки передаются от опорного приемника до перемещаемого по каналам связи (радио, сотовая связь, интернет). Расстояние от референцного (опорного) приемника может быть до нескольких десятков, сотен и даже тысяч километров в зависимости от требуемой точности определения положения (координат).
Существует огромный спектр навигационного оборудования (GPS/ГЛОНАСС приемников) для самых различных приложений, от бытовых до профессиональных. В мире насчитывается тысячи референцных станций, обеспечивающих корректирующими поправками прибрежные зоны, акватории, большие города и регионы.
Применение полевых (выносных) референцных станций сопряжено с неудобствами и трудностями (необходимость каждый раз точно выставлять в одном месте, обеспечить непрерывное электропитание, контроль за работой, охрану и защиту от внешних воздействий. На территории, где постоянно выполняются измерения и обмеры, более оптимальным является использовать стационарные постоянно- действующие спутниковые референцные станции (РС).
Постоянно действующая референцная станция включает в себя ГНСС приемник, спутниковую антенну, источник бесперебойного питания, средства связи, которые устанавливаются стационарно на специально подготовленное место. РС может управляться автоматически с персонального компьютера (ПК) и специализированного программного обеспечения. Она может работать автономно, без участия оператора. Станция может формировать спутниковые данные для постобработки с данными полевых спутниковых измерений, а также спутниковые дифференциальные поправки для получения пользователями передвижных спутниковых приемников (роверов) точных пространственных координат в реальном времени(RTK). Данные для постобработки могут архивироваться на жесткий диск компьютера базовой станции и передаваться по каналам связи на FTP-сервер для удаленного доступа. Пользователи подвижных приемников могут получать дифференциальные поправки по радио каналам, высокоскоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA и др.) или через сеть Интернет.
Одиночная базовая станция обеспечивает определение пространственных координат в режиме реального времени с сантиметровой точностью (Real-Time Kinematic) в радиусе не более 25-30 км. Принципиально удаление ровера от базовой станции может быть большим, например 300 км. Однако при удалении от станции точность позиционирования ухудшается пропорционально расстоянию. Сеть РС может покрыть большую площадь, чем больше станций, тем больше площадь покрытия. Для устранения проблемы получения точных и надежных результатов на удалении от станций станции устанавливают плотно с перекрытиями зон действия. Расстояния между станциями в среднем 25 км. Максимальная дальность работы в режиме RTK до 50км , но обычно 25км! Точность измерений составит 3мм+25x0.5мм=12-13мм.
В периоды активности солнца искажения радиосигналов спутников ГНСС в ионосфере приводит к ухудшению точности или невозможности выполнять точные измерения на расстояниях более 25 или даже 15 км.
В целях исключения ошибок, вносимых искажениями в атмосфере, а также нарастающей погрешности от удаления от ближайшей РС создается реально-временная модель ошибок и корректирующих поправок на основе данных нескольких РС и знаний об их точном положении. Такая модель подразумевает совместное уравнивание данных со всех РС и вычисление поля дифференциальных поправок на всю территорию покрытия сети.
Совместное уравнивание данных со всех РС позволяет получить сетевые поправки (поле поправок), которые могут тут же транслироваться по каналам связи на перемещаемый приемник (ровер). С помощью соответствующей функции приемника пользователь сможет получить точные координаты своего положения с учетом уравненных поправок с одинаковой точностью и надежностью в любом месте покрытия сети.
Данные для расчета поля поправок должны поступать с каждой РС в центр обработки постоянно и непрерывно. Контроль работы нескольких РС, расположенных на обширной территории, эффективней с единого центра управления (ЦУ). Таким образом, данная структура представляет собой сеть референцных станций, единообразно управляемая для создания единого поля корректирующих поправок всем пользователям.
Централизованное управление и сбор данных с нескольких РС в центре управления позволяет с помощью специализированного программного обеспечения одновременно создавать дифференциальные поправки различным пользователям с различным уровнем точности и периодичности, архивации данных для последующей обработки, организации системы доступа по различным каналам связи, т.е. оказывать сервис точного позиционирования на основе спутниковых навигационных технологий. Такую систему сейчас называют спутниковой системой точного позиционирования (СТП).
Благодаря сетевому способу формирования дифференциальных поправок пользователь может надежно получать координаты с точностью до см на удалениях от РС до 50 км, а расстояние между станциями может быть до 80 км. Таким образом, при использовании данных спутниковых СТП в топографических и кадастровых съемках, геодезических измерениях нет необходимости прокладки теодолитных, полигонометрических ходов, создания переходных опорных пунктов. Наличие на территории сети постоянно-действующих референцных станций позволяет не заботиться о наличии плотной сети закрепленных на земле опорных знаков и реперов. Это существенно сокращает расходы на выполнения измерений (транспорт, износ оборудования, человеческих ресурс, накладные расходы) сокращает время выполнения работ, обеспечивает предоставление пространственных результатов в цифровом виде в едином координатно-временном поле на обширных территориях. Существенно сокращается расходы на создание опорного обоснования (опорной межевой сети) и поддержании ее в рабочем состоянии.
Преимущества спутниковой системы точного позиционирования очевидны, но есть как плюсы, так и минусы, если можно так назвать необходимые требования по созданию по поддержанию работы системы.
Плюсы (+)
• Единое координатно-временное поле;
• Единое управление и координация, единая организационная структура;
• Сокращение расходов на развитие и содержание наземного опорного обоснования;
• Сокращение расходов и времени на полевые измерения и съемки;
• Предоставление данных в современном трехмерном цифровом виде;
• Требует от исполнителей совершенствования современных знаний и навыков;
• Позволяет предоставлять услуги не только для съемок и измерений точных координат точек, линий, полигонов в геодезии, топографии, кадастре, строительстве, но и навигации транспортных средств, диспетчеризации перевозок грузов, позиционирования объектов (кранов, вагонов, цистерн, танкеров, плавучих буровых платформ и др.), постоянного мониторинга деформации зданий и сооружений…
Минусы (-)
• Большие первоначальные затраты на создание единой системы;
• Необходимость постоянного технического поддержания (оборудование станций, каналы связи, оборудования центра управления);
• Необходимость выделения постоянных средств на непрерывную и стабильную работу каналов связи.
СТП могут быть созданы как для нужд отдельного предприятия (горнодобывающий комбинат, месторождение, геотрест, ТИСИЗ…) для решений задач в локальном месте, так и в масштабах целого региона. Но в последнем случае требуется решение на уровне региональной администрации о выделении средств на создание такой системы для нужд самых различных организаций, ведомств и возможно частных пользователей.
Существует множество примеров сетей референцных станций за рубежом.
- SAPOS – Служба спутникового позиционирования Геодезического Управления Германией - 250 станций
- SmartNET – Система национальной геослужбы Ordnance Survey, Великобритания и Ирландия – более 200 станций
- Сеть одиночных базовых станций Национального Кадастрового Агентства Дании - 56 GPS базовых станций
- Министерство транспорта, Дирекция картографии и топографии Бельгии – 23 станции
Сети постоянно-действующих станций существуют в таких станах как США, Швейцария, Латвия, Греция, Болгария, Голландия и мн.др. Ряд проектов реализовано и в России. Ниже представлена сводная таблица проектов по созданию СТП в нашей стране.
Целью мероприятий по созданию сети постоянно действующих спутниковых референцных станций является формирование на территории Ульяновской области наземной инфраструктуры на основе постоянно действующих ГЛОНАСС/GPS референцных станций для создания единой высокоточной координатной основы области, обеспечения пространственными данными субъектов хозяйственной деятельности, внедрения российской космической навигационной системы ГЛОНАСС, сокращения затрат на производство кадастровых работ, повышения эффективности навигации, грузоперевозок, мероприятий по охране природных ресурсов, предотвращения чрезвычайных ситуаций за счет постоянной и оперативной осведомленности о точном местоположении в режиме реального времени.
Реализация проекта по созданию СТП должны включать в себя следующие мероприятия:
1 этап. Принятие административного решения.
Принятие административного решения о создании сети постоянно действующих спутниковых референцных станций и решения по его финансовому обеспечению;
Определение Заказчика и разработка технического задания;
Объявление конкурса на проведение работ по созданию сети.
2 этап. Разработка технического проекта создания сети на территории региона.
Включающего указание цели работ, нормативных документов, подробную структуру системы данных станций,
Разработка вариантов монтажа и наладки сети референцных станций (РС);
Разработка требования к закреплению центров РС;
Описание системы коммуникаций, включая каналы связи РС с вычислительным центром (ВЦ), каналы связи с пользователями;
Разработка детального проекта размещения РС на топооснове, с учетом существующих сетей коммуникаций, превалирующих высот и существующей структуры для обеспечения сохранности оборудования;
Планирование конфигурации сети, обоснованность выбора количества станций, с учетом 100% покрытия территории и с учетом уже созданных станций на территории соседних регионов;
Анализ возможности включения в проектируемую сеть уже созданных региональных дифференциальных станций в соседних регионах (Татарстан, Самара и т.д.) ;
Анализ коммерческой окупаемости сети при создании и развитии сети РС для собственных нужд организаций, а также использования РС сторонними организациями и возможности модернизации сети (системы).
3 этап. Рекогносцировочные работы по определению мест установки РС.
Выбор места установки РС и ВЦ, определение возможности подведения линий коммуникаций;
Согласование со всеми службами места установки РС;
Детальное обследование пунктов размещения технических средств;
Определение юридического статуса пунктов размещения РС.
4 этап. Развертывание сети РС на территории региона в соответствии с техническим проектом.
Подготовка мест установки РС и ВЦ;
Закупка оборудования и программного обеспечения;
Технические испытания преемников, входящих в состав РС;
Установка оборудования РС и программных комплексов;
Размещение вычислительного центра (ВЦ), его настройка, оснащение и оборудование;
5 этап. Определение работоспособности сети, определение и уравнивание координат РС и параметров перехода СК.
Выявление возможных сбоев питания, приема спутниковой информации, выявления стабильности сети коммуникаций;
Спутниковые измерения, уравнивание сети, определение координат РС. Вычисление параметров перехода из системы координат WGS-84 для возможности обеспечения пользователей координатами в режиме пост-обработки и реального времени в СК-95, СК-42, МСК-73;
Обучение представителя эксплуатирующей организации методам управления системой, включая оборудование РС, программным обеспечением ВЦ, методам настройки сервисов позиционирования в режиме реального времени и способам обработки данных сети, а также особенностям функционирования сети РС.
6 этап. Проведение технических испытаний и сертификация системы.
Проведение технических испытаний сети на соответствие требованиям регламентирующих документов;
Подготовка материалов испытаний для представления в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии;
Получение необходимых сертификатов.
7 этап. Опытная эксплуатация.
Отработка навыков управления сетью референцных станций и процедура обучения специалистов методикам применения преимуществ сети.
Отработка процедуры взаимодействия оператора сети и потребителей, включая мероприятия по привлечению пользователей, коммерческую политику, ценообразование документооборот.
- Подготовка информации об потребностях потенциальных пользователей, возможностях и наличии инфраструктуры в регионе, геодезической изученности, каналах связи, предварительные расчеты и планирование проекта, консультации специалистов.
- Разработка технического задания на создание проекта
- Рекогносцировочные работы по определению мест установки РС и центра управления сетью
- Разработка технического проекта создания системы
- Подготовка мест установки РС и ЦУС
- Закупка оборудования РС и пользователей, программного обеспечения
-Размещение и установка оборудования РС и ЦУС
-Настройка и отладка оборудования
-Выполнение измерительных работ для привязка РС к пунктам государственной геодезической сети
-Обработка и уравнивание измерений, вычисления координат РС в требуемых системах координат, вычисление параметров перехода из системы спутниковых СК
-Обучение представителя эксплуатирующей организации
-Сертификация системы
-Настройка и отладка системы, рекламно-маркетинговые мероприятия
Постоянные издержки по поддержанию работы СТП включают в себя ряд пунктов (постоянные расходы, аренда помещений, коммунальные платежи
- Плата за трафик каналов связи
- Поддержание оборудования в технически работоспособном состоянии
- Рекламно-маркетинговые мероприятия
- Оплата труда персонала
Срок окупаемости в прямую зависит от количества коммерческих клиентов. При условии, если:
- Единовременные затраты на создание СТП = 30 000 тыс.руб.
- Постоянные расходы на поддержание работы СТП в месяц ~ 300 тыс.руб.
- Поступление от клиентов СТП в месяц ~ 1 000 тыс.руб.
- Прибыль составит ~490 тыс.руб.
Срок окупаемости системы составит около 60 месяцев или не менее 5 лет.
Тем не менее окупаемость проекта будет косвенной, за счет сокращения затрат на инвентаризацию объектов недвижимости, полевых измерений, экономии транспортных расходов, сокращения времени и потерь, возникающих в результате плохой осведомленности о местоположении. Окупаемость СТП будет зависеть от ее коммерциализации и бизнес модели работы с потребителями, их количества и объема потребления услуг СТП. Для предприятий, осуществляющих топографо-геодезические работы и инвентаризацию, как уже упоминалось, наличие постоянно действующей СТП позволит сократить расходы на создание опорного обоснования (опорной межевой сети) и поддержании в рабочем состоянии, что может окупить затраты на ее создание достаточно скоро.
Для функционирования системы и ее окупаемости необходимо наличие заинтересованности потенциальных пользователей, их возможности использовать предлагаемые средства в их повседневной деятельности. Создаваемая система будет работать и приносить пользу, если предлагаемые технические решения будут отвечать требованиям потребителей к оперативности, точности и надежности позиционирования, но при условии, если будут отработаны процедуры взаимодействия с муниципальными потребителями, коммерческая политика и мероприятия по привлечению сторонних пользователей.