Человечество вступило в новую эру спутникового позиционирования, возможности которого через пять лет качественно изменят ситуацию не только в отдельных отраслях деятельности, но и во всем мировом хозяйстве. Наконец можно предметно говорить не только о единственной системе глобального позиционирования GPS, а о системе, объединяющей все существующие и будущие национальные и межнациональные созвездия спутников

М.Ю. Караванов (Московское представительство Trimble Navigation)

В настоящем обзоре будут рассмотрены основные современные тенденции развития спутниковых технологий в приложении к геодезии и другим наукам, требующим знания высокоточных координат. Для этого отмечу основные изменения, произошедшие как в собственно глобальных навигационных спутниковых системах (Global Navigation Satellites System GNSS), так и в аппаратной и программной составляющих созданного для них оборудования.

Человечество вступило в новую эру спутникового позиционирования, возможности которого через пять лет качественно изменят ситуацию не только в отдельных отраслях деятельности, но и во всем мировом хозяйстве. Наконец можно предметно говорить не только о единственной системе глобального позиционирования GPS, а о системе, объединяющей все существующие и будущие национальные и межнациональные созвездия спутников. До конца оценить все преимущества объединения GNSS пока невозможно, однако уже сейчас ясно, что оно расширит области применения спутниковой аппаратуры, увеличит точность и надежность высокоточного позиционирования, повысит производительность работы геодезистов.

За последние годы GNSS значительно преуспели в своем развитии, хотя и с некоторым отставанием от намеченных графиков. В настоящее время к глобальным навигационным спутниковым системам могут быть отнесены полностью функциональная GPS, возрождающаяся ГЛОНАСС и создаваемая Galileo.

GPS продолжает стабильно функционировать и развиваться. На текущий момент она включает 31 спутник, 6 из которых уже передают сигнал на новой частоте L2С. Из-за большого числа спутников, работающих без сбоев сверх запланированного времени эксплуатации, сроки замены их на новые постепенно сдвигаются отставание от первоначального графика составляет примерно полгода-год. Запуск первого спутника блока GPS IIF, передающего сигналы уже на трех частотах, произойдет в середине 2009 г., а запуски спутников блока GPS III начнутся с 2014 г. Уже составлен график поэтапного обновления GPS: сначала запланирован запуск 8 спутников GPS IIIA, затем 8 усовершенствованных спутников GPS IIIB, а несколько позже 16 еще более совершенных спутников GPS IIIC. С финансированием системы GPS также все идет по плану: на 2009 г. из бюджета США выделяется 1,2 млрд дол., треть суммы предназначена для разработки и создания спутников серии GPS III.

Российская ГЛОНАСС также успешно развивается, хотя и с отставанием от первоначальной программы ускоренного развертывания. В настоящее время система состоит из 16 спутников, 2 из которых находятся на стадии техобслуживания. До конца 2008 г. планируется осуществить два запуска ракеты-носителя «Протон» с тремя спутниками «Глонасс-М» на борту. Новое поколение спутников имеет повышенный срок службы семь лет.

В 2007 г. произошло важное событие в России была принята новая модернизированная версия геодезических параметров Земли ПЗ 90.02. 20 сентября 2007 г. на всех спутниках ГЛОНАСС была обновлена эфемеридная информация, реализующая новую государственную геоцентрическую систему координат с измененными ориентацией по долготе и масштабом. Теперь параметры трансформирования ПЗ 90.02 при переходе в Международную систему координат ITRF2000 содержат только смещение начала системы координат, а производителям оборудования GNSS рекомендуется использовать нулевые параметры перехода.

Как и GPS, ГЛОНАСС имеет программу дальнейшей модернизации: ведется подготовка спутников «Глонасс-К» с третьей гражданской частотой L3 и сроком службы 10 12 лет, принято решение об увеличении орбитальной группировки до 30 спутников. Первые запуски спутников «Глонасс-К» намечены на 2009 г. Существует долгосрочная программа запуска спутников «Глонасс-КМ» (с 2015 г.) с кодовым разделением сигналов.

Наконец и европейская система Galileo вступила в фазу развертывания. Первый тестовый спутник системы GIOVE-A за два года работы полностью выполнил программу исследований. В апреле 2008 г. был запущен второй (он же последний) тестовый спутник GIOVE-B с самыми точными атомными часами, когда-либо находившимися в космосе, со стабильностью менее 1 наносекунды в сутки. Следующим шагом программы Galileo будет запуск четырех рабочих спутников для подтверждения базового космического и наземного сегментов Galileo к 2010 г. После завершения фазы орбитальной проверки к 2013 г. будут запущены остальные спутники, и система Galileo будет включать 30 аппаратов (27 базовых и 3 резервных). Точность Galileo ожидается выше существующей сейчас точности GPS на порядок.

Коротко перечислю некоторые преимущества, которые получат геодезисты от использования объединенных GNSS, как только это состоится частично или полностью:
увеличенное число спутников позволит работать с GNSS в неблагоприятной обстановке, например, в условиях городской застройки;
быстрое получение решения приведет к повышению производительности как в статических, так и в динамических задачах;
возможность получения решения на большом удалении от базовых станций позволит сэкономить на количестве последних;
мощность передаваемых сигналов позволит надежно захватывать и отслеживать их даже от спутников на низких орбитах;
более надежное определение срывов инициализации повысит точность и надежность результатов.

Развитие технологии GNSS привело к бурному развитию спутниковой аппаратуры потребителя для высокоточного позиционирования (см. табл. 1). Сегодня практически все ведущие производители выпускают мультисистемные многоканальные приемники с широкими возможностями отслеживания сигналов GPS, ГЛОНАСС и спутниковой системы увеличения точности SBAS. Наиболее передовые компании гарантируют прием планируемых сигналов систем GPS, Galileo и даже Compass. Некоторые производители предлагают готовые решения на плате с дополнительным приемом сигналов коммерческой широкозонной подсистемы OmniSTAR. При этом сами чипсеты GNSS становятся все меньше, мощнее и универсальнее. Изготовленные на их основе приемники потребляют мало энергии и имеют более широкие возможности модернизации. Спутниковое оборудование стало более универсальным и взаимозаменяемым. Помимо собственно геодезических задач приемники GNSS все шире используются в задачах управления строительными машинами и сельскохозяйственной техникой.

Технологии изготовления также не стоят на месте используются совмещенные конструкции, приемники становятся компактнее и изготавливаются в соответствии с требованиями более жестких стандартов для работы в полевых условиях. Растет интеграция между спутниковым и лазерным или оптическим оборудованием (например, с помощью сменных панелей или контроллеров). А для ввода и обмена данными все шире используются современные интерфейсы и карты памяти.

Необходимо отметить появление нового класса оборудования, объединяющего спутниковые и инерциальные технологии в едином устройстве (GNSS-плата, гироскопы и акселерометры). Такая комбинация позволяет получать надежное решение в сложных условиях, когда спутниковые сигналы блокируются препятствиями. Интегральные навигационные комплексы GNSS/IMU могут использоваться в специальных задачах, таких как авиационные и динамические съемки, автономная навигация и пр.

Перечислю некоторые характеристики современного приемника спутникового позиционирования:
прием всех доступных сигналов GPS/ГЛОНАСС/SBAS и даже планируемых сигналов Galileo;
число каналов от 72 до 216;
совмещенная GPS/
ГЛОНАСС/SBAS/Galileo) антенна;
высокоэффективные алгоритмы подавления кодовой и фазовой многолучевости;
расширение функциональности приемников с помощью паролей;
мощные фильтры для подавления внутриполосных помех;
высокая частота позиционирования (от 20 до 100 Гц);
встроенные универсальные обменные протоколы (RTCM 2.x, RTCM 3.x, CAN);
интегрированные средства связи (Bluetooth, Wi-Fi, УКВ или GSM/GPRS, Ethernet);
удобная блочная конструкция (замена батарей, модулей УКВ или GSM/GPRS);
малое энергопотребление;
распространенные интерфейсы для питания и связи;
расширенный объем памяти для записи и хранения данных;
«полевое» исполнение;
малые размеры, эргономичная конструкция, удобное управление;
возможность настройки, управления и получения данных через Интернет.

Сопутствующая программная среда также видоизменяется, постепенно становясь общей для разнородных типов геодезических данных и сохраняя их в единой базе данных. Это нашло отражение в поддержке универсальных обменных форматов и популярных форматов отдельных производителей, в результате чего процесс обмена информацией постепенно упрощается. Кроме того, для обмена разнородными типами геоданных стал использоваться открытый формат LandXML, который обеспечивает функциональную совместимость между различными прикладными программами независимо от их версий.

Перечислю некоторые характеристики современного офисного программного обеспечения для обработки данных GNSS:
удобный пользовательский интерфейс, использование передовых средств программирования;
автоматизированная обработка данных GNSS (импорт обработка отчет);
удобный экспорт в распространенные форматы ГИС и CAD;
подготовка отчетов в настраиваемых пользовательских форматах с помощью LandXML;
работа с векторными картами и растровыми подложками;
использование ЦММ/
ЦМР;
удобная загрузка данных из сети Интернет (данные станций IGS/CORS);
комфортная визуализация данных (окна карты, хронологии, профилей, 3D-изображения, Google Earth).

В полевую практику геодезистов прочно вошли технологии беспроводного обмена данными. Сети GSM используются и для удаленного обмена данными с офисом по электронной почте, и для работы в режиме реального времени, и для выхода в Интернет. В приемниках GNSS и в управляющих ими портативных компьютерах стали широко использоваться технологии Bluetooth и Wi-Fi. Встроенный в устройство приемопередатчик Bluetooth позволяет установить связь приемник контроллер или контроллер контроллер, а также соединять их с компьютером или мобильным телефоном без использования кабелей. Модуль Wi-Fi используется для быстрой передачи данных из устройства в любой компьютер корпоративной локальной сети WLAN, а также для подключения к сети Интернет в специальных точках беспроводного доступа. Комбинация современного программно-аппаратного обеспечения и современных средств передачи данных позволяет говорить о появлении мобильного офиса.

Перечислю некоторые характеристики современной «полевой» программы для сбора данных GNSS:
универсальная операционная система Microsoft Mobile с унифицированным набором прикладного ПО;
возможность выхода в Интернет в полевых условиях;
запись и управление данными спутниковых, лазерных и оптических измерений в едином проекте, мгновенное переключение между различными типами инструментов;
удобный пользовательский интерфейс на предпочитаемом языке;
средства визуализации полученных измерений;
импорт/экспорт в настраиваемых форматах LandXML;
модульная структура с возможностью наращивания.

Во всем мире все шире используются элементы инфраструктуры GNSS. Россия также не остается в стороне, постепенно увеличивая сети базовых станций в промышленно развитых регионах. Данные от базовых станций GNSS (возможно, различных производителей) в режиме реального времени поступают в центр управления, обрабатываются и по каналам GSM/GPRS передаются геодезистам для работы в режиме RTK. Благодаря таким сетям существенно повышается точность, производительность и надежность съемки, а также значительно увеличивается допустимое расстояние от базовых станций до подвижного приемника, позволяя обслуживать целые районы или государства. Сети базовых станций имеют масштабируемую структуру и могут легко расширяться до сотен и даже тысяч приемников GNSS (см. табл. 2). В качестве форматов передачи данных могут использоваться стандартные форматы RTCM/RTCM Net, VRS или FKP, передающиеся, например, с помощью Интернет-протокола NTRIP, для чего существует специализированный класс базовых станций с прямым подключением к сети Интернет без использования выделенного компьютера.