Задачи, связанные с определением дислокации пространственных объектов и управлением ими в пространстве и времени, требуют координатно-временного и навигационного обеспечения, основанного на использовании глобальных навигационных спутниковых систем

У.Д. Самратов (ВНИИАС МПС России)

Задачи, связанные с определением дислокации пространственных объектов и управлением ими в пространстве и времени, требуют координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО), основанного на использовании глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

В настоящее время функционируют две ГНСС GPS (Global Positioning System, США), развернутая в 1993 г., и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), введенная в эксплуатацию в сентябре 1993 г. с орбитальной группировкой ограниченного состава (12 космических аппаратов). В декабре 1995 г. с орбитальной группировкой, развернутой до штатного состава (24 космических аппарата). Однако в последующий период из-за трудностей экономического характера орбитальную группировку ГЛОНАСС не удалось поддержать в составе, необходимом для решения задач в гражданском секторе экономики. Поэтому в соответствии с Федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 20 августа 2001 г. № 587, а также другими решениями Правительства РФ, принятыми в развитие Федеральной целевой программы, к концу 2007 г. орбитальная группировка ГЛОНАСС должна быть доведена до 18 космических аппаратов, обеспечивающих 100% покрытие территории Российской Федерации. Орбитальная группировка ГЛОНАСС до штатного состояния будет восстановлена в 2009 г., что позволит обеспечить глобальное покрытие.

Наряду с ГНСС ГЛОНАСС и GPS по инициативе Европейского союза (ЕС) и Европейского космического агентства (ЕКА) начата работа по реализации европейского проекта ГНСС Galileo. Китай и Индия планируют создание собственных ГНСС.

До недавнего времени в нашей стране создавались разрозненные, не увязанные между собой отраслевые системы КВНО, из-за чего они не могли эффективно использоваться в других отраслях экономики.

Для преодоления наметившегося отставания начато создание соответствующей правовой базы КВНО:
для повышения эффективности управления движением на воздушном, водном и наземном транспорте, уровня безопасности перевозок пассажиров, специальных и опасных грузов, а также совершенствования геодезических и кадастровых работ Правительство РФ постановлением от 9 июня 2005 г. № 365 приняло решение оснащать аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS: космические средства; воздушные суда государственной и гражданской авиации; морские суда и суда внутреннего речного и смешанного плавания; автомобильные, железнодорожные транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, специальных и опасных грузов, виды которых определяются федеральными органами исполнительной власти в пределах своей сферы деятельности; приборы и оборудование, используемые при проведении геодезических и кадастровых работ;
распоряжением Правительства РФ от 21 августа 2006 г. № 1157р утверждена Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации;
постановлением Правительства РФ от 3 марта 2007 г. № 139 утверждены Правила установления местных систем координат;
указом Президента РФ от 17 мая 2007 г. № 638 «Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации» определены меры по обеспечению массового использования системы, в том числе по разработке Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» на 2012 2020 годы;
постановлением Правительства РФ от 28 мая 2007 г. № 326 утверждено Положение о порядке получения, использования и предоставления геопространственной информации;
Министерством транспорта РФ в 2003 г. утверждена Концепция внедрения систем глобальной спутниковой навигации в транспортном комплексе Российской Федерации (в 2007 г. подготовлена вторая редакция Концепции);
Министерством информационных технологий и связи РФ подготовлен проект Единой системы КВНО в виде совокупности научно-технических, информационных и организационных ресурсов, а также подсистем сбора, обработки и обмена этими ресурсами между потребителями и поставщиками услуг КВНО, объединенной телекоммуникационными средствами и включенной в единое информационно-коммуникационное пространство страны. Предполагается, что Концепция будет утверждена Правительством РФ.
Работы, выполненные ВНИИАС в соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» от 5 мая 2006 г. № 907р «Об организации работ по разработке «Пилотного проекта определения области применения спутниковых технологий на железнодорожном транспорте на опытном участке Москва Клин» показали принципиальную возможность высокоточного позиционирования подвижного состава с отображением его местоположения на электронной карте в режиме реального времени. Необходимыми условиями для этого послужили:
создание системы дифференциальной глобальной навигационной спутниковой системы (ДГНСС) в составе четырех постоянно действующих спутниковых референцных станций (рис. 1);

Рис. 1

наличие надежной системы передачи результатов спутниковых наблюдений («сырые данные») и дифференциальных поправок;
оснащение подвижного состава спутниковыми навигационными приемниками для точного определения местоположения с использованием дифференциальных поправок, получаемых от ДГНСС (рис. 2, 3);
использование цифровой модели пути (ЦМП) в масштабе 1:1000 для перегонов и в масштабе 1:500 для станций для отображения точного местоположения подвижного состава (рис. 4);
наличие специального программного обеспечения для отображения местонахождения подвижного состава в центре управления перевозками (рис. 5).

Рис. 1

Для дальнейшего изложения соображений по проблемам создания системы координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО) РЖД автор полагает, что сначала следует рассмотреть состояние нормативно-технической базы ОАО «РЖД» по обсуждаемой проблематике.
Основополагающим нормативно-техническим документом, устанавливающим основные положения по технической эксплуатации железных дорог и порядок действий работников железнодорожного транспорта при их эксплуатации, основные размеры, нормы содержания важнейших сооружений, устройств и подвижного состава и требования, предъявляемые к ним, систему организации движения поездов и принципы сигнализации, являются Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ), утвержденные МПС России 26 мая 2000 г. ЦРБ-756. Правила обязательны для всех подразделений и работников железнодорожного транспорта, а их выполнение должно обеспечивать слаженность всех звеньев железнодорожного транспорта, четкую и бесперебойную работу железных дорог и безопасность движения. Все инструкции и указания, относящиеся к проектированию и технической эксплуатации железных дорог, сооружений, устройств и подвижного состава, должны соответствовать требованиям ПТЭ.

В развитие ПТЭ в системе ОАО «РЖД» разработан комплекс нормативно-технических документов, в достаточно полной мере регламентирующих выполнение работ по проектированию, строительству и технической эксплуатации железных дорог. Создана и постоянно актуализируется автоматизированная система правовой и нормативно-технической информации железнодорожного транспорта (АС ПИЖТ).

Рис. 3

Вместе с этим, опыт реализации пилотного проекта показал, что опытный образец ДГНСС является «первым кирпичиком» будущей системы КВНО РЖД. В АС ПИЖТ нормативно-техническая документация по этому вопросу фактически отсутствует.

Поскольку работы по созданию КВНО РЖД находятся в начальной стадии, основные требования к системе КВНО РЖД сформулированы в виде декларации (рис. 6).

Рис. 4

Единая система нормативно-технической документации
Для создания единой системы нормативно-технической документации (НТД) КВНО РЖД в первую очередь следует разработать единую структуру (иерархию) НТД, определить основное содержание документов в зависимости от иерархии, установить порядок разработки, рассмотрения, принятия и тиражирования документации. Одним из основополагающих документов, на базе которого необходимо строить систему НТД КВНО РЖД, должна стать Концепция КВНО РЖД, в свою очередь согласованная с Концепцией Единой системы КВНО Российской Федерации.

Единая система координат
Для КВНО РЖД важное значение имеет единая система координат. На рис. 7 она представлена в виде совокупности четырех систем координат: геоцентрической, государственной референцной, местной и линейной, надежная связь между которыми должна осуществляться с использованием параметров перехода (ключей).

Рис. 5

Геоцентрическая система наиболее удобна для описания ЦМП, поскольку:
текущее положение подвижного состава, оснащенного спутниковым навигационным приемником, определяется в геоцентрической системе координат, и можно без каких-либо дополнительных преобразований отображать положение движущегося поезда на ЦМП: либо в кабине машиниста, либо в диспетчерском центре;
нет режимных ограничений на точность определения координат подвижного состава.

В качестве местных железнодорожных систем координат предлагается использовать местные системы координат, ранее установленные по субъектам Российской Федерации для ведения государственного земельного кадастра (ГЗК) и с выходом постановления Правительства Российской Федерации от 3 марта 2007 г. № 139 «Об утверждении Правил установления местных систем координат» ставшие, наконец-то, легитимными. Такой подход наиболее целесообразен как с позиции однозначного установления прав собственности на земельный участок при осуществлении железнодорожной деятельности, так и с позиции соблюдения режима их использования, поскольку сведения о координатах геодезических пунктов в местных системах координат на территорию, не превышающую территорию субъекта Российской Федерации, отнесены к несекретным. Таким образом, при переходе на использование местных систем координат, установленных для ведения ГЗК, отпадает необходимость разработки местных железнодорожных систем координат и экономятся значительные средства, необходимые на их разработку.

Рис. 6

В качестве линейной системы координат предлагается использовать пикетаж, получаемый с использованием ЦМП. В качестве абсциссы линейной системы принимается длина осевой линии первого главного пути, отсчитываемая от нулевого километра пути. Ордината линейной системы вычисляется как отрезок перпендикуляра, восстановленного от объекта ЦМП до касательной к оси первого главного пути.

Преимущества предлагаемой линейной системы координат:
отпадает необходимость разработки сложных азимутальных проекций, предлагаемых некоторыми авторами для вычисления линейных координат объектов пути;
строго соблюдаются требования к единству линейных систем координат, поскольку они являются производными от геоцентрических координат и обеспечивается точное соответствие между линейными и геоцентрическими координатами.

Государственные геоцентрические и референцные системы координат (СК 42, СК 95) являются основой обеспечения единства не только предлагаемой нами системы КВНО РЖД, но и Единой системы КВНО страны, подготавливаемой Мининформсвязи России. Поэтому точность и надежное закрепление пунктов государственной геодезической сети (ГГС) на местности должно быть предметом особой заботы государства. Вместе с тем, опыт создания высокоточных сетей постоянно действующих референцных станций показывает, что пункты государственной геодезической сети имеют более низкую точность по сравнению с сетями референцных станций. Это противоречие можно было бы учесть, если бы новые спутниковые измерения использовались для уточнения координат геодезических пунктов. На сегодняшний день при выполнении топографо-геодезических работ, работ по межеванию земель, инженерным и другим изысканиям выполняются тысячи и тысячи спутниковых измерений с привязкой к пунктам государственной геодезической сети. На наш взгляд, эти измерения следовало бы систематизировать, провести анализ их точности и использовать для уточнения координат геодезических пунктов, что является задачей Роскартографии федерального органа исполнительной власти, отвечающего за состояние ГГС. К сожалению, указанные работы Роскартография пока не выполняет, новые бесплатные возможности для приведения государственной геодезической сети в соответствие с современными требованиями не использует.

Рис. 7

Единая система координатно-цифрового описания железнодорожных путей
Для создания КВНО РЖД предстоит разработать систему координатно-цифрового описания железнодорожных путей (язык описания данных) по аналогии с CNTD, разрабатываемой Международным союзом железных дорог UIC и Европейским научно-исследовательским институтом железных дорог ERRI, что, конечно, потребует больших усилий от ученых и специалистов ОАО «РЖД».

Система координатно-цифрового описания пути, по сути, является языком описания данных, который содержит стандартизированные описания элементов: рельсовой колеи; контактной сети; пикетажа (километров и пикетов) вдоль оси первого главного пути; специальной реперной системы; объектов вне рельсовой колеи.

Единая цифровая модель железнодорожного пути
Единая цифровая модель пути должна создаваться с учетом требований всех причастных хозяйств и служб ОАО «РЖД» и, на наш взгляд, содержать следующие геоинформационные слои:
пункты государственной геодезической и опорной межевой сетей;
пункты специальной реперной системы контроля состояния пути, в том числе в виде постоянно действующих и временных спутниковых референцных станций;
административно-территориальные границы и границы полос отвода железной дороги;
рельеф местности в границах полосы отвода;
земляное полотно и подстилающая поверхность;
устройства путевого хозяйства;
пассажирские устройства;
грузовые устройства;
устройства локомотивного хозяйства;
устройства энергоснабжения;
устройства вагонного хозяйства;
устройства водоснабжения;
устройства СЦБ;
устройства электроосвещения;
прочие устройства.

Для каждого геоинформационного слоя должны быть установлены содержание (состав и детальность объектов), точность определения их геометрических характеристик, а также сроки (периодичность) обновления данных.

Единая система оперативного мониторинга пути
Единая система оперативного мониторинга пути (ЕС ОМП) является системой регулярных наблюдений за состоянием пути для выявления изменений, их оценки и выработки рекомендаций по предупреждению и устранению последствий природных и техногенных процессов и явлений, представляющих угрозу для безопасности железнодорожного движения.

ЕС ОМП должна состоять из следующих основных подсистем:
сеть постоянно действующих референцных станций ДГНСС;
комплекс съемочных и диагностических средств, преимущественно дистанционного (бесконтактного) зондирования с носителей наземного, авиационного и космического базирования;
комплекс программно-технических средств по обработке результатов наблюдений и формированию цифровой модели пути с применением ГИС-технологий;
комплекс программно-технических средств по выявлению изменений, их оценке и выработке рекомендаций по предупреждению и устранению последствий негативных процессов и явлений.

Безусловно, ЕС ОМП должна быть согласована с действующими в России системами мониторинга окружающей среды, так как является совокупностью компонентов природной среды и антропогенных объектов. К компонентам природной среды относятся земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, растительный, животный мир и другие компоненты природного характера. К антропогенным относятся объекты, созданные человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающие свойствами природных объектов.

Заключение
Создание КВНО РЖД является одной из важнейших задач российских железных дорог, требующей быстрого решения в связи с реализацией Программы развития скоростного и высокоскоростного движения на сети железных дорог ОАО «РЖД» на перспективу до 2020 года, утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 7 июня 2006 г. № 1146р.

17 мая 2007 г. подписан Указ Президента РФ № 638 «Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации», в котором наряду с другими Правительству РФ поручено до 31 декабря 2011 г. утвердить Федеральную целевую программу по поддержанию, развитию и использованию системы ГЛОНАСС на 2012 2020 годы. В связи с этим предлагаем российской геодезической общественности в лице ГИС-Ассоциации взять на себя инициативу по подготовке предложений в указанную программу по созданию ЕС КВНО страны, составной частью которой является система КВНО РЖД.