Пожалуй, главное, что характеризует класс приемника спутникового позиционирования, точность определения местоположения

Д.А. Евтеев (НПП «Навгеоком»)

Доступ гражданских пользователей к технологии спутникового позиционирования значительно расширил сферу ее применения. В зависимости от потенциального назначения были сформулированы требования к приемникам спутникового позиционирования, которые предопределили их функциональность и стоимость. В данной статье в дополнение к публикациям [1, 2] и сводной таблице (см. Пространственные данные. 2006. № 1. С. 50 64) предпринимается попытка классифицировать современные приемники спутникового позиционирования.

Приемники спутникового позиционирования можно условно разделить на три класса: любительские, геодезические и картографические, каждый из которых имеет свою специфику.
Цена
На первый взгляд, выбрать приемник в первом приближении можно, ориентируясь на его цену. Действительно, приемники спутникового позиционирования любительского класса (навигаторы), рассчитанные на массового потребителя, значительно дешевле, чем профессиональные приборы. Но определить на основе этого же критерия принадлежность приборов к картографическому или геодезическому классам вряд ли удастся ценовые ниши у них мало отличаются.
Для более детального анализа необходимо рассмотреть функциональные характеристики современной аппаратуры спутникового позиционирования.

Точность позиционирования
Пожалуй, главное, что характеризует класс приемника спутникового позиционирования, точность определения местоположения, и не последнюю роль тут играют технологии, применяемые при создании приборов.

Рис. 1. Приемник спутникового позиционирования любительского класса

При производстве приборов любительского класса основное внимание уделяется их стоимости, что отражается на используемых материалах и технических разработках. Для таких приемников, как правило, доступны только кодовые измерения, так как возможность использования дифференциальных поправок повысила бы их цену. Потребительский спрос диктует требования к размеру приборов они должны помещаться в кармане (рис. 1), а также обладать возможностью интегрирования с карманными персональными компьютерами (КПК) и другими электронными устройствами, используемыми в быту. Приборы любительского класса, как правило, просты в использовании и не требуют профессиональной подготовки. Точность определения местоположения с помощью подобных устройств обычно составляет 3 15 м.

Приемники картографического класса относятся к профессиональной аппаратуре, поэтому технология их изготовления ориентирована на обеспечение максимальной надежности приборов. Алгоритмы понижения влияния многолучевости, использование данных базовых станций для дифференциальной коррекции, функции планирования сеанса наблюдений применяются для достижения точности позиционирования в пределах 0,5 м. Разумеется, такая точность возможна лишь при использовании дифференциальной коррекции измерений. Контроль точности определения местоположения доступен на всех этапах сбора данных. Качество получаемых данных с достаточной уверенностью можно определить уже на стадии проведения работ в полевых условиях. Приемники картографического класса по сути являются кодовыми, но с поддержкой фазовых измерений. Т. е. в пределах коротких периодов наблюдения спутников (а именно такие требования предъявляются к данным приборам) точность приемников определяется как субметровая. Длительными наблюдениями на точке точность можно повысить до первых дециметров. Но это уже задача профессиональных приемников геодезического класса.

Требования по точности, предъявляемые к приемникам спутникового позиционирования геодезического класса, намного превосходят требования к картографическому и любительскому классам приборов. Задачи, решаемые с использованием приборов геодезического класса, требуют точности в пределах первых сантиметров, а иногда и миллиметров. Приемники этого класса ведут измерения по фазе в пределах цикла несущей частоты. Нахождение неоднозначности числа циклов определяет точность приборов.

Атрибутивная информация
Кроме геометрической точности при определении местоположения большое значение имеет атрибутивная информация, характеризующая объект съемки. При формировании объекта может возникнуть необходимость в различных типах предикатов время, дата, описание, целое число, логические данные и др. Иногда требуется создать базу данных непосредственно в полевых условиях. При этом определяющую роль будет играть программное обеспечение, используемое для сбора и обработки данных.

Приемники любительского класса (если речь не идет о модулях, встраиваемых в КПК) обычно не оснащены операционной системой. Их функциональность определяется программным аппаратом, заложенным производителем. Поэтому возможность описания объекта чаще всего сводится к присвоению точке номера, а характеристики фиксируются на отдельных носителях. Вероятность ошибки в этом случае возрастает многократно, да и объем памяти приборов ограничен.

Ситуация кардинально иная, если речь идет о КПК со встроенным приемником спутникового позиционирования. Мобильные ГИС позволяют создавать полноценные информационные слои непосредственно в полевых условиях. В этом случае большую роль играет защищенность приборов от воздействия внешней среды. Далеко не каждый КПК может работать в условиях повышенной влажности и низких температур.

Принцип использования операционных систем лег в основу создания приемников спутникового позиционирования картографического класса. Пользователь сам определяет, какой программный продукт лучше подходит для решения тех или иных задач. Большинство современных приемников спутникового позиционирования управляются программным обеспечением на многофункциональных операционных платформах (Windows CE, Windows Mobile 2003, Windows Mobile 2005).

К программному обеспечению для геоинформационного картографирования в полевых условиях предъявляется ряд требований. Оно, в частности, должно обеспечивать возможность корректирования получаемых данных как в режиме реального времени, так и при постобработке, присвоения разного типа атрибутивной информации, а также загрузки существующих ГИС и растровых подложек. Необходимы функции навигации для выхода на точку. Таких требований, диктуемых интересами пользователей, может быть много. Поэтому действительно полноценных продуктов для создания ГИС в полевых условиях на рынке в настоящее время не так много.

Принципы управления современными профессиональными приемниками геодезического класса не отличаются от общепринятых, т. е. работу аппаратуры контролируют специальные устройства с операционными системами, но основной акцент делается не на атрибутивную информацию и графические возможности программного обеспечения, а на методы съемки, определяющие точность.

Задачи, решаемые с помощью приемников спутникового позиционирования разных классов
Приемники спутникового позиционирования разных классов ориентированы на решение различных задач. Приемники любительского класса призваны обеспечить пользователя информацией о собственном местоположении. Охотнику, рыбаку, туристу вполне достаточно точности 10 15 м, чтобы представлять, где он находится, или найти интересующий объект на местности: дом, памятник, стоянку. Конечно, приемники должны иметь функцию загрузки картографической информации, но обычно это мелкомасштабные карты на территорию региона. Функция записи координат и сохранения точек также важна, но не предполагается, что эта информация будет использована в качестве базовой для создания карт, ее цель зафиксировать местоположение объекта, чтобы иметь возможность вернуться к нему.

Приборы любительского класса не предполагают строгой оценки точности, а наличие функции выделения чистого сигнала (как, например, у профессиональных приборов компании Trimble Navigation, США) скорее повредит пользователю, нежели пойдет во благо. Даже весьма приблизительное решение, основанное на переотраженных сигналах, лучше, чем отсутствие такового вообще из-за стремления производителя оградить ГИС от серьезных ошибок.

В отличие от любительских, приемники спутникового позиционирования картографического класса разработаны для сбора и хранения пространственной и атрибутивной информации. Их основная задача создать новую или «перенести в полевые условия» существующую ГИС, провести съемку или корректирование объектов (внедрить информацию в ГИС). В принципе, прибор картографического класса можно использовать для приближенного определения местоположения, но тогда возникнет вопрос «цены решения».

Рис. 2. Приемник спутникового позиционирования картографического класса

С точки зрения предназначения приемники для ГИС должны быть: достаточно точными (в пределах 1 м); компактными (съемка географических объектов зачастую сопряжена с перемещениями на большие расстояния) оптимально карманного размера; максимально функциональными (не требовать дополнительного оборудования или аксессуаров); прочными, влагонепроницаемыми, морозоустойчивыми и энергосберегающими (рис. 2).

Один из важнейших критериев работы приемников картографического класса время, затрачиваемое на измерение с максимально возможной точностью. Для исполнителя, работающего в полевых условиях, даже 5 мин, необходимые для получения результата, являются слишком значительным периодом. Поэтому при разработке данного типа приборов особое внимание уделяется сокращению времени, необходимого для достижения точности 0,5 1 м. Сейчас такое решение возможно при продолжительности наблюдений на точке в течение 1 мин или менее.

Приборы геодезического класса имеют широкое применение: развитие опорных геодезических сетей, проведение нивелирных работ, геодезическое обеспечение строительных работ и многое другое, где требуется высокая точность. Получение высококачественных данных цель использования подобного оборудования (рис. 3).

Рис. 3. Комплекс оборудования геодезичческого класса для базовой станции

Хотя главным критерием качества для приемников геодезического класса является точность, также важно учитывать степень защиты от влаги, механических повреждений и амплитуду рабочих температур. Эти требования жестче, чем для приемников картографического класса. Вопросы компактности и мобильности отходят на второй план чаще всего под приемником подразумевается комплект аппаратуры (антенна, приемник, аккумулятор, контроллер), размещенный на штативе или вехе. Даже варианты, предлагающиеся для кинематической съемки, обычно предусматривают размещение прибора в рюкзаке исследователя, а антенны на крепящемся кронштейне при картографировании природных объектов такое решение с трудом можно назвать удобным. Кроме того, непосредственное описание точки не так уж важно при геодезических работах, куда важнее условия и время проведения съемки, параметры созвездия спутников. Поэтому в специализированном программном обеспечении, как правило, отсутствует возможность присваивать точке какие-либо характеристики кроме текстового комментария.

Приемники спутникового позиционирования для картографии и ГИС
Выделить класс приемников спутникового позиционирования для картографии и ГИС можно, ориентируясь на цели использования приборов или на технологии, применяющиеся при их создании. Что же представляют собой приемники этого типа?

Прежде всего, это профессиональная аппаратура, созданная для решения задач полевого картографирования, среди которых: дешифрирование данных ДЗЗ (благодаря использованию растровых подложек), обновление ГИС (за счет импорта в среду мобильной ГИС), создание ГИС-элементов (точки, линии и полигоны с атрибутивной информацией) непосредственно в полевых условиях, т. е. создание слоев ГИС «с нуля». К решаемым задачам можно отнести поиск объектов исследования, с помощью технологии передачи поправок в режиме реального времени осуществляемый с точностью лучше 1 м. Зачастую для создания ГИС приходится использовать карты, не обновлявшиеся длительное время. В этом случае приемники спутникового позиционирования для картографии и ГИС можно успешно применять для уточнения информации.

Цели использования диктуют требования к оборудованию. В первую очередь это касается скорости ведения измерений, функциональности программного обеспечения, внешнего вида приборов и особенностей эксплуатации. Зачастую удовлетворение этих требований ведется в ущерб точности.

Точность рассматриваемого класса приборов при непродолжительном времени измерений на точке определяется как субметровая. В ее основе лежит кодовое решение, дополненное измерениями по фазе несущей частоты (одной или двум в зависимости от типа приемника). Это дает возможность не только проводить измерения на точке, но и работать с прибором в движении, накапливая измерения через заданные интервалы времени, создавая тем самым линию. По сути, такая работа схожа с деятельностью оцифровщика, только «дигитайзером» выступает перемещающийся приемник спутникового позиционирования, а интервал времени определяет элементарные векторы.

Субметровая точность достигается при использовании дифференциальных поправок. Большинство приборов этого класса позволяют использовать поправки как в режиме реального времени (передающиеся по радио и GSM-каналам), так и при постобработке.

Выбор того или иного метода внесения поправок в измерения (при постобработке или в режиме реального времени) целиком зависит от типа выполняемых работ. Многие задачи, например, обнаружение объектов на местности или дешифрирование растительности, могут выполняться и без использования дифференциальных поправок, поскольку точности 3 15 м для этого бывает вполне достаточно. Данные, полученные в результате постобработки, за счет использования фазовых измерений более точны, чем результаты съемки в режиме реального времени (которые определяются только по кодовым измерениям). При постобработке точность данных, полученных при помощи приемников картографического класса, может составлять 20 30 см. Если же используются поправки в режиме реального времени, точность варьирует в пределах 50 100 см. Но с другой стороны, внесение поправок в режиме реального времени не только значительно упрощает технологию, но и позволяет решать задачи, недоступные при постобработке например, выносить в натуру результаты ГИС-анализа пространственных данных [2]. Использование поправок в режиме реального времени диктуется также необходимостью получения оперативных данных, например, при непосредственном отслеживании перемещения объекта.

В дополнение к описанию процесса съемки с приемом поправок в режиме реального времени [2], где указано, что оценка точности проводится «непосредственно в полевых условиях», стоит заметить, что различное оборудование позволяет вести оценку в автономном режиме и определять как вероятную точность без внесения поправок, так и предсказываемую точность при постобработке.

При рассмотрении вопроса передачи дифференциальных поправок большое внимание уделяют дифференциальным сервисам, однако не всегда отмечают, что на территории России многие из них недоступны, либо использование предоставляемых ими поправок сопряжено со значительными трудностями. Если говорить об EGNOS, то эмпирические исследования показали, что в Москве угол восхождения спутника над горизонтом составляет всего 11 , а это делает его постоянное использование невозможным.

Рис. 4. Работа с приемником картографического класса PathFinder Pro

Приемники спутникового позиционирования картографического класса зачастую представляют собой комбинацию антенны, собственно приемника, блока питания и контроллера в одном корпусе. Иногда контроллер является отдельным устройством, как у приемников системы PathFinder Pro Trimble (рис. 4). Цель комбинирования отдельных элементов достижение максимальной надежности и удобства в работе.

Говорить о том, что контроллер превращает приемник спутникового позиционирования в прибор, позволяющий выполнять сбор данных для ГИС [2], на наш взгляд, несколько некорректно. Контроллер скорее определяет возможность использования программного обеспечения, которое уже позволяет проводить сбор данных для ГИС, решать широкий круг геодезических задач и задач полевого картографирования. Контроллер сам по себе является универсальным устройством, позволяющим управлять как приемниками спутникового позиционирования картографического и геодезического классов, так и, например, электронным тахеометром.

Утверждение, что в качестве контроллеров в основном используются КПК [2], может ввести читателя в заблуждение, так как большинство пользователей под КПК понимают портативные миникомпьютеры, в избытке присутствующие на рынке. Контроллеры же, используемые при работе с профессиональным оборудованием, вряд ли стоит причислять к классу подобных устройств. И хотя контроллеры могут обладать операционной системой, отнести их к отдельному разряду оборудования можно, основываясь только на характеристиках прочности и влагозащищенности.

Основным критерием выбора контроллера должен быть не столько объем жесткого диска, хотя и это важный момент, сколько тактовая частота процессора, обеспечивающего быстродействие системы, что принципиально для приемников спутникового позиционирования для картографии и ГИС, которые зачастую оперируют обширными растровыми и векторными изображениями.

Антенны, встроенные в профессиональные приемники спутникового позиционирования, разработаны для качественного приема сигнала в сложных условиях (обычно используются антенны микрополоскового типа). Они значительно более чувствительны, нежели антенны навигаторов, и по своим характеристикам мало отличаются от антенн, используемых с геодезическим оборудованием.

Аккумуляторы, поставляемые с приборами, позволяют работать в течение рабочего дня (около 9 ч), а внешние комплекты питания дают возможность значительно увеличить продолжительность ведения измерений.

Амплитуда рабочих температур рассматриваемого класса приборов колеблется от 20 до + 60 С, что дает возможность работать в жару и мороз. Предусмотрена высокая степень защиты от механических повреждений.

Приборы спутникового позиционирования картографического класса поставляются с операционными платформами, которые совместимы с любым программным обеспечением, рассчитанным на использование данного типа платформ. Современное программное обеспечение для мобильных ГИС решает следующие задачи:
съемка точечных, линейных или полигональных объектов;
контроль качества съемки пространственных объектов, оценка точности;
планирование съемки: расчет наиболее благоприятных периодов в течение суток;
навигация: возможность выхода на точку с известными координатами;
загрузка в качестве основы слоев ГИС или растровых изображений;
ввод атрибутов, характеризующих объект;
определение атрибутов разных типов: числовых, текстовых, логических и др.;
установление правил контроля содержания вводимой информации;
автогенерация часто повторяющихся значений;
ввод информации с внешних датчиков;
прием поправок в режиме реального времени;
преобразование данных съемки в различные системы координат непосредственно в полевых условиях.

Это лишь краткий список возможностей программного обеспечения, задействованного при работе с приемниками спутникового позиционирования картографического класса.
Использование подобных приборов характеризуется постоянным взаимодействием с офисными ГИС. Именно поэтому функциям импорта/экспорта уделяется особое внимание. Перенос информации из мобильной в офисную ГИС и обратно проходит без потери пространственной и атрибутивной информации. И более того, существует возможность генерации полей, характеризующих качество съемки (значение DOP, SNR) или содержащих дополнительную информацию об объекте (высота, площадь, длина).

Приемники спутникового позиционирования картографического класса разработаны для решения специфического круга задач, и противопоставлять их приборам геодезического или любительского классов не имеет смысла. Также не представляется целесообразным использовать приборы любого класса не по их прямому назначению.

Приборы данного типа достаточно просты в работе, обеспечивают полную интеграцию с существующими ГИС, позволяя переводить пространственную и атрибутивную информацию из мобильных ГИС в офисные без потерь. Главные критерии их работы скорость, точность, полнота описания.

Список литературы
1. Караванов М.Ю. Современные тенденции развития спутникового оборудования // Пространственные данные. 2006. № 1. С. 47 49.
2. Петров М.А. Приемники спутникового позиционирования для сбора и обновления данных для ГИС // Пространственные данные. 2006. № 2. С. 44 47.