Российская геодезия стоит на пороге новой технологической революции, связанной с созданием сетей постоянно действующих базовых (референцных) станций GNSS, позволяющих работать в режиме кинематики реального времени

О.В. Гаврилова («Геометр-Центр»)

Наверное, все геодезисты и топографы помнят, какое значение для отрасли имело появление электронных тахеометров и спутниковых методов позиционирования. Эти революционные технологии позволили перейти на качественно новый уровень при проведении изысканий, а в сфере геодезического обеспечения строительства предоставили возможность вести вынос проектов в натуру и исполнительные съемки в координатах. Все, кто грамотно и с умом подошел к использованию указанных технологий, получили неоспоримые конкурентные преимущества за счет быстроты, качества и эффективности проведения работ.

Как мне кажется, российская геодезия стоит на пороге новой технологической революции, связанной с созданием сетей постоянно действующих базовых (референцных) станций GNSS, позволяющих работать в режиме кинематики реального времени (real time kinematics — RTK).

Некоторый положительный опыт использования таких сетей в стране, безусловно, накоплен. Нельзя не упомянуть систему точного позиционирования на территории Москвы и Московской области под управлением Центра спутниковых технологий (структурное подразделение ФГУП «Госземкадастрсъемка» — ВИСХАГИ). Многие организации успешно пользуются услугами этой системы, но в режиме постобработки. Как бы ни было это хорошо, но качественный прорыв может произойти, если поставщик услуг будет обеспечивать работу пользователей в режиме RTK.

Представляется, что успешное решение задач по созданию сетей постоянно действующих базовых станций возможно в том случае, если возникнут встречные движения: с одной стороны, пользователи будут искать такого рода услуги, с другой — инвесторы поймут актуальность и бизнес-эффективность подобных проектов. Поэтому мне хотелось бы адресовать эту статью как пользователям, так и тем компаниям, которые задумываются над созданием инфраструктурных проектов в целях коммерческого использования сетей базовых станций. Потенциальный инвестор, владелец и поставщик услуг такой сети — вот к кому в первую очередь я обращаюсь.

Под сетями базовых станций RTK понимают совокупность некоторого числа постоянно действующих приемников GNSS, которые объединяют накопленные спутниковые данные и формируют RTK-поправки для мобильных приемников (роверов). В настоящее время сети RTK функционируют во многих странах, например, в Австралии, Великобритании, Германии, Гонконге, Испании, США. По размерам сети могут быть локальными, состоящими из нескольких базовых станций, и региональными с десятками станций, охватывающих целую страну, например, сеть SmartNet UK в Великобритании (рисунок, http://smartnet.leica-geosystems.co.uk ).

Пользователь платит за поправки, которые принимает его мобильный приемник, и не тратится на приобретение собственной базовой станции.

Поскольку статья адресована главным образом предпринимателям, не являющимся специалистами в области формирования координатно-временного поля, необходимо сделать несколько пояснений. Для начала сравним одиночную базовую станцию и сеть базовых станций RTK.

Мобильные приемники (роверы), работающие в режиме реального времени, традиционно получают данные от одиночной базовой станции. Такая станция может быть постоянно действующей или временно установленной в районе работ. В обоих случаях базовая станция устанавливается на точке с известными координатами и передает поправки для роверов с помощью устройства коммуникации (радиомодем или устройство GSM-связи).

Сеть базовых станций Великобритании SmartNET UK

При этом важно помнить, что:
— базовая станция и ровер должны принимать сигналы от одних и тех же спутников;
— базовая станция передает роверу координаты и спутниковые данные;
— ровер должен объединять данные от базовой станции и собственные измерения для вычисления своего местоположения в режиме RTK.

Координаты ровера в RTK вычисляются при помощи специальных алгоритмов, позволяющих ему успешно работать в режиме реального времени на расстояниях до 50 км от базовой станции.

Преимуществом использования одиночной базовой станции является относительно простой и в целом хорошо известный принцип работы.

К недостаткам можно отнести:
— необходимость покупки оборудования для собственной базовой станции;
— затраты времени на установку базовой станции;
— снижение точности определения координат ровера по мере удаления от базовой станции.
Последнее обусловлено влиянием атмосферных условий, которые при увеличении расстояния между ровером и базовой станцией могут значительно отличаться. Это приводит к снижению точности, затрудняет разрешение неоднозначности и получение фиксированного решения.

Сеть базовых станций RTK
В сети рекомендуется иметь не меньше пяти базовых станций (предельное число не ограничено). Расстояние между станциями не должно превышать 70 км. Базовые станции, как правило, являются постоянно действующими и составляют сеть RTK.

Основной принцип работы: все станции в сети постоянно передают спутниковые измерения на центральный пульт управления (сервер), оснащенный специальным программным обеспечением. Основная цель функционирования сети — по мере возможности уменьшить влияние ошибок, обусловленных расстоянием между базовыми станциями и ровером, на координаты, которые вычисляются ровером, работающим внутри сети.

Программное обеспечение, установленное на центральном пункте управления, обеспечивает это за счет разрешения неоднозначности для спутников, которые наблюдаются базовыми станциями внутри сети, и использования данных от всех (или части) базовых станций для формирования поправок, передаваемых на ровер.

Ровер связывается с сервером сети базовых станций с помощью устройства связи (например, радиомодема, GSM-модема) или через Интернет. Получив данные в режиме реального времени, ровер вычисляет собственные координаты на основе соответствующего алгоритма.

Выбор алгоритма вычисления координат ровера и способа минимизации ошибок во многом зависит от метода формирования поправок в сети RTK.

В настоящее время известны четыре таких метода:
— Master-Auxiliary corrections (MAX);
— индивидуальные MAX (i-MAX);
— виртуальная базовая станция (VRS);
— Flachen-Korrektur-Parameter (FKP) — метод площадных поправок.

В каждом из методов моделирование ошибок осуществляется разными путями и выполняется на сервере сети или самим ровером. Различия во взаимодействии сети и ровера приводят к существенным различиям в эффективности, точности и надежности позиционирования ровера.

Преимущества сети базовых станций RTK:
— обладание собственной базовой станцией не является необходимым условием;
— точность вычисления координат ровера практически постоянна;
— высокий уровень точности поддерживается на больших расстояниях между базовой станцией и ровером;
— территория равной площади может быть охвачена меньшим количеством базовых станций (по сравнению с использованием одиночных станций);
— высокая надежность и работоспособность системы (если одна из станций сети выходит из строя, другие могут ее заменить).

К недостаткам можно отнести необходимость платы за пользование сетью и получение поправок.

Оценивая экономическую эффективность работы в сети RTK, можно отметить следующее.

Во-первых, пользователь экономит время, поскольку ему не нужно выбирать опорный пункт, чтобы поставить базовую станцию; готовить источники питания (например, аккумуляторы) для базовой станции; добираться до места установки базовой станции (это может быть не так просто); устанавливать и охранять базовую станцию, собирать ее по окончании работы.

Во-вторых, пользователь экономит деньги, поскольку сокращаются транспортные расходы и не надо платить за: оборудование и аксессуары (модем, аккумуляторы, штатив и пр.) для базовой станции; труд помощника, который устанавливает, охраняет, собирает и т. д. базовую станцию; техническое обслуживание и ремонт оборудования.

В-третьих, пользователь страхуется от возможных ошибок, поскольку нет необходимости центрировать прибор на базовой станции и измерять высоту антенны.

Этот список может быть продолжен.

Провайдер сети базовых станций заключает контракты на пользование сетью и управляет работой ее сервера. Он же выбирает способ формирования RTK-поправок. Как отмечалось выше, этот выбор коренным образом влияет на качество получаемого решения и точность определения собственных координат ровером.

Способы формирования RTK-поправок должны быть стандартизованными, опирающимися на опубликованные алгоритмы. Это гарантирует, что информация, получаемая роверами от сети, не зависит от производителя оборудования и соответствует международным стандартам.

Если ровер способен выбирать, данные скольких и каких базовых станций будут использованы для получения решения, какую методику применить для уменьшения ошибок, будет получено решение, управляемое ровером. Преимущество такого подхода в том, что ровер может постоянно оценивать точность получаемого RTK-решения и следить за эффективностью дифференциальной коррекции. Ровер также может выбрать другую стратегию коррекции и получить более подходящее сетевое решение. Когда сервер управляет сетевым решением, он применяет одну стратегию для всех роверов. Чтобы обеспечить роверу возможность максимально эффективно и точно вычислять собственные координаты, метод формирования сетевых RTK-поправок должен использовать все доступные спутниковые данные. Поэтому важным является возможность сети и роверов принимать данные GPS, ГЛОНАСС, в перспективе L5 GPS, Galileo и Compass.

Отметим важнейшие условия взаимодействия сети и ровера:
— наблюдение одних и тех же спутников. Ровер и сервер (посредством базовых станций) должны наблюдать общий набор спутников;
— разрешение сетевой неоднозначности. На основе соответствующего алгоритма сервер разрешает сетевую неоднозначность и уменьшает спутниковые данные до этой общей неоднозначности;
— формирование RTK-поправок. Сервер формирует и передает поправки роверу в стандартном и нестандартном (неоднозначном) видах;
— RTK-решение. Ровер использует поправки для вычисления собственных координат в режиме реального времени.

Компания Leica Geosystems AG (Швейцария) является мировым лидером в производстве оборудования и программного обеспечения для сетей базовых станций RTK. Специальные приемники Leica GRX1200 c choke-ring антеннами, гибкое и интеллектуальное программное обеспечение для сервера базовых станций Leica GNSS Spider и Leica GNSS QC гарантируют стабильность и высокое качество функционирования сети. Компанией также выпускаются роверы, отвечающие всем требованиям для работы в сети.

При разработке проекта сети базовых станций нужно учитывать, что немалую прибыль провайдеру может принести не только поставка самих услуг, но и предоставление пользовательского оборудования (роверов) в аренду.

ООО «Геометр-Центр» является авторизованным партнером и официальным дистрибьютором Leica Geosystems AG в России. Компания разрабатывает проекты сетей, поставляет оборудование для базовых станций, выполняет настройку, монтаж и тестирование приборов и программного обеспечения, проводит обучение специалистов. Дополнительную информацию можно получить на сайте www.geometer-center.ru или по телефону (495) 955-28-51.