С.А. Миронов («Геотехнологии»)

У нас в порту полная автоматизация: нажал кнопку — мешок на спине.

Излагать тенденции современных технических решений глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) без экскурса в недавнюю историю и необходимый минимум теоретических основ — можно, но без шансов на понимание. Информация о реальных достоинствах систем намеренно искажена. Кем и с какой целью? Специалистам ответ давно известен. А тем, кому он в новость, я готов уделить время и после прочтения этой статьи.

Вылупившаяся в эпоху ностальгически благословенных 1990-х годов идея создания локальных сетевых ГНСС-решений сегодня вдруг стала заполнять эфирную пустоту таинственной привлекательности колебаниями. Проект создания на территории РФ сегмента постоянных станций IGS (International Geodetic System), реализованный в упомянутые годы UNAVCO, Колумбийским университетом и РАН, сегодня представляется совершенно нереальным. Мне, как участнику того проекта, все тогдашние перипетии казались театром абсурда. Чиновничьи препоны, которые были с честью и безвозмездно пройдены для успешной многолетней открытой работы станций на пользу отечественным прикладным задачам и зарубежной науке, сегодня даже нереально представить решенными. Оценить подобную задачу ныне невозможно — таких цифр на денежных знаках еще не печатают.

Мода на сети базовых станций прижилась по причине актуальности лозунга М. Камдессю: «Никто не поможет России кроме нас». Вот нам и предложили «засеять» станциями территорию РФ квадратно-гнездовым методом с максимальной плотностью, близкой к числу жителей чудом выжившего титульного населения.

И предлог был благовидным — содействие земельному кадастру новой России. Не бесплатно, конечно, а в виде товарного кредита под добрые инфляционные проценты. Один из флагманов сельскохозяйственной научной мысли, принявший дар евроволхвов на «засев» московской губернии, и по сей день возвратом долгов озабочен по самые госбюджетные гланды.

Может и была у заморских купцов да ремесленников, сочинивших эту чудо-технику, мысль добрая да складная — помочь нам, невеждам, обмерить да счесть запасы добра, чтобы потом и распорядиться ими с умом да пользой. Легло засеянное, но не в ту борозду.

Идея измерить и счесть земные достоинства России не прижилась. Пустая, оказалось, затея — мерить всем миром да открыто учитывать то, что народу никогда не принадлежало: будь то хоромы барские, поля тучные иль кладовые земные. Оно как было «ково надо», так «яво и есь». Вот такой у нас простой кадастр! А сети, поставленные в кадастре, по милицейскому принципу работают: крупная рыба не задерживается, только мелочь застревает. Признать государевы траты на сети бездумными или неэффективными в наше время — удел отважных любителей адреналина за гранью самосохранения. Таких во власти нет, а вот желающих «сеять доброе и вечно неразумное» пруд пруди.

Да простят меня коллеги за вступление в стиле былинном, ибо история эта уже настолько древняя, что пора бы и забыть, да попросили напомнить.

Переходя на более строгий диалект, позволю себе сначала дать несколько определений с необходимыми комментариями для установления единства понимания сути. Не претендуя на классику формулировок, постараюсь исходить больше из физического смысла предметной области, нежели канона нормативного канцелярита.

Базами назовем приемники ГНСС, что стоят неподвижно закрепленными на точках долговременной сохранности положения, роверами — те, что непосредственно служат определению неизвестных координат точек и траекторий.

Приемниками условимся называть комплексы, состоящие из антенны и собственно приемника спутниковых сигналов с сопутствующей инфраструктурой (питание, накопители, интерфейс обмена данными, система установки или закрепления).

Согласно П.Н. Кузнецову, измерением будем считать сравнение объекта с эталоном. Это классика геодезии, ее альфа и омега. Осознаем, наконец, что измеряют спутниковые приемники объекты и явления, весьма далекие от геодезических задач.

Собственно измеряемым объектом является несущая группа частот и модулированные колебания электромагнитных волн, передаваемые со спутников. Задача приемника — сравнивать фазовые значения в опорном канале и полученные от спутников. Это сравнение и есть измерение.

По измеренным разностям фаз вычисляются дальности от точки приема до спутников. При известных значениях положений спутников на небесной сфере (эфемеридах) уже по дальностям линейной засечкой вычисляется положение приемника относительно спутников.

Извиняюсь за банальное и упрощенное цитирование хорошо известного, но, судя по тенденциям регулирования работ по ГНСС-технологиям, не всем наверху изложенное доступно в понимании и далеко не с первого раза.

При дифференциальном методе приемники ведут соответствующие измерения, а результатом вычислений является разность взаимных положений геоцентрических координат базы и ровера, которую принято называть вектором. Это до определенной степени удобно, если не впадать в крайность. Вектор — виртуальная связь пространственного решения и не более того.

К сожалению, вектор считают измеряемой величиной все инструкции по применению ГНСС. Вычисляемое принимают за аналог геометрической видимости с присущими оценочными атрибутами (азимут, дистанция). В довершение рекомендуется оценивать вычисляемое относительной мерой, зависящей от длины вектора.

Эта практика не столько ошибочна, сколько порочна, как в реальной оценке точности метода, так и в сочетании наземных и спутниковых измерений в совместном уравнивании. Дальше всех в заблуждении по поводу мнимой действительности векторов продвинулись авторы ряда программных продуктов постпроцессинга, принимая вектор за географический объект с присущими ему ГИС-атрибутами.

Производители в отношении точности ГНСС-приемников также используют относительную меру (±2+2 ppm). Эта «традиция» оправдывается только одним доводом — увидев ppm (количество миллиметров «пурги» на каждом километре вектора), наивный покупатель составит пропорцию точность/штука так, что допуск точности будет возможен при увеличении числа купленных штук. Отсюда и все тенденции «развития» программного обеспечения, которые ограничивают точность решения для векторов различной дальности. Соответствующий рынок ничем не отличается от фармацевтики, где здоровье людей не является самоцелью, главное — непрерывное потребление ими лекарственных препаратов.

Все существующее многообразие методов получения точной позиции с применением ГНСС сегодня можно свести к короткому списку:
1. Постпроцессинг (PP) дифференциальный. Он характеризуется отсутствием связи между базой и ровером в момент измерений. Накопленные ровером данные получат реальные координаты и оценку точности лишь после совместной с базой обработки. При некритичной длительности сессий базы и ровера и наличии у исполнителя знаний чуть больше, чем дается в инструкции пользователя, этот метод практически не имеет ограничений по длине вектора и точности его вычисления в штатных геодезических задачах. Оставим для фундаментальной науки область определения векторов с длинами более 2 тыс. км и точности субмиллиметрового порядка. Они тоже сегодня достижимы методами постпроцессинга.

Недостатками метода являются его невысокая оперативность и необходимость накопления представительной статистики измерений каждым приемником в отдельности для лучшего вычисления векторов. Отсутствие возможности оценить качество приема базой на ровере требует длительных сессий накопления измерений.

Классификация точностей и требуемых длительностей сессий для разных длин векторов и производственных задач основана на личном опыте автора (табл. 1, где DIFF PP — дифференциальный постпроцессинг; PP — постпроцессинг; СДЗК — современные движения земной коры; ГГС — Государственная геодезическая сеть; ПВО — планово-высотное обоснование; ОМС — опорная межевая сеть; ДЗЗ — дистанционное зондирование Земли).

Таблица 1. Постпроцессинг

2. Реальное время (RTK). Метод, получивший особую популярность у специалистов, не особо озабоченных влиянием интеллекта на быстрый результат. Широко используется в задачах выноса проектных решений, поскольку обеспечивает непрерывную и быструю коррекцию позиции ровера в движении, позволяющую выводить средство измерения в заданную точку с нужной точностью.

Наличие связи между базой и ровером — необходимое условие. В задачах определения координат метод не является более точным, так как ровер использует в решении то, что принял от базы, без достаточной аналитики собственных шумов и переотражений сигнала, подавление которых в постпроцессинге происходит корректнее.

Этим списком перечень методов и исчерпывается.

Ограничением RTK (помимо гостайны) в наших условиях бескрайности и беспредельности является отсутствие технологической беспроводной связи. О том, что голосовую GSM и пакетную GPRS в цивилизованных странах не рассматривают в качестве надежного и гарантированного носителя в технических задачах, у нас даже не ведают.

Я не знаю граждан РФ, имеющих прецедент контракта с сотовым оператором с ответственностью последнего за неразрывный коннект и задержки в сети.

На острове Цейлон цивилизация допускает на одной мачте размещение ретрансляторов семи операторов сотовой связи и десятка иных радиотрансляторов.

Наши технические решения громоздят на каждой высотке по три и более мачты. При таких корпоративных ограничениях ума и совести надежды на технологический выделенный канал связи вне голосового и SMS-трафика в РФ безосновательны.

Производителям оборудования такое положение со связью тоже выгодно. Метод RTK без дополнительных ухищрений связывает базу и ровер с использованием GSM-модемов на длинах векторов до 30 км. Решения возможны и на больших удалениях, но возникнут вопросы качества связи, подавления влияния ионосферы и тропосферы, а это никак не стимулирует количество продаж приемников для базовых станций.

Вариации оптимизации метода RTK за счет трансляции корректирующей информации от сервера сетевого сегмента (NTRIP) расширяют круг потенциальных клиентов и дают некоторое увеличение дальности вектора за счет выбора станции с наилучшими условиями передачи. Практика работы с подобными решениями показывает, что альтернатива короткому вектору возможна в более надежном канале GSM, а не дальности.

Технология VRS® (виртуальная референцная станция) достойна премии в номинации «Лучшее новое — хорошо забытое старое». VRS® поддерживает известный всем нивелировщикам прием (на сдельной оплате не было исполнителей, у которых невязка прямого и обратного хода получалась не в допуске), суть которого в том, что прописывалась некая виртуальная станция, в превышения которой уходила невязка. Здесь тот же случай. Если одна или две базы не дают нужной точности быстрого решения, вам рекомендуют купить сразу пять, чтобы векторы от них до ровера были не более 50 км. Внутри этой фигуры нарисуется виртуальная (рядом с ровером) станция, от которой все решения станут быстрыми и точными. Если не убедила аналогия с нивелировкой, приведу другой пример. Получив переотраженный (кронами деревьев, заборам, зданиями и пр.) сигнал от спутников, ровер легко вычислит фиксированные решения на поправках. От одной базы это будет или нескольких — многолучевости (искажения) не избежать. Решения будут прекрасно между собой сходиться, но при этом отличаться от истинной позиции. На трибуне стадиона всегда есть места, вид с которых создает видимость попадания мяча в корзину. VRS® предлагает вид из VIP-ложи, при котором все броски выглядят результативными.

Справедливости ради надо отметить, что в условиях наблюдений, близких к идеальным, недостатков у перечисленных методов практически нет. И все дают результат нужной точности.

Прогрессивность новаций в сфере ГНСС сводится к одной задаче: получение вероятнейших значений координат с абсолютной точностью, близкой к сантиметру, за минимальное время измерений в условиях неидеального приема. Миллиметры тоже цель, но там, где они востребованы, соотношения цены, качества и времени другие. Эта тема стоит отдельного рассмотрения.

Наиболее интересные решения в ГНСС-методах оптимизации соотношения времени и точности реализованы у производителей программ, не привязанных к конкретному «железу».

Технология Inverse RTK (Epoch-by-Epoch®), не имеющая аналогов в российской терминологии, шестой год упорно игнорируется и сообществом продавцов приемников, и федеральными закупочными кампаниями. А этот метод признан в мире наименее фондоемким и самым технологичным.

Данные роверов в нем не корректируются поправкой от базы, сервера или виртуальной станции, а непосредственно передаются потоком на сервер сети. Последний, принимая потоки «сырых» данных от нескольких баз (минимум трех в отличие от VRS®), выполняет дифференциальную обработку каждой эпохи баз и роверов независимо.

При интервале записи 50 Гц за 1 с получаем полсотни решений в заданном доверительном интервале. Эта технология дает решения сантиметровой точности для векторов до 300 км за первые секунды измерений даже в одногерцевом интервале. При этом результат корректируется подавлением многолучевости на сервере, количество клиентов не ограничено, данные поступают в приложения и фонды хранения непосредственно в момент измерений. А это уже ответственная система обработки с контролем решений и обратной связью.

Постпроцессинг в технологии Epoch-by-Epoch® требует сессий значительно меньшей длительности (до минуты). Метод снискал широчайший спектр клиентов: геодезия, топография, кадастр, точное позиционирование летательных аппаратов, проводка судов в каботаже, диспетчеризация железнодорожного маневрового парка, мониторинг малых деформаций инженерных сооружений. Главная проблема внедрения метода в РФ — упорное игнорирование его командой приверженцев ГЛОНАСС.

Минуло пять лет после представления метода властным рулевым отечественной ГНСС, а вопрос о начале финансирования разработки ГЛОНАСС-решений в технологии Epoch-by-Epoch® остается вне приоритетов наших стратегов. А там, где создавался Inverse RTK, нет обязательного применения ГЛОНАСС (GPS надежнее и понятнее). Видимо, в Роскосмосе перед определенными западными производителями есть особые обязательства — служить им рынком сбыта вне таких категорий, как экономичность и удобство эксплуатации.

Еще одна технология, заслуживающая внимания, также не удостоена нормативных аналогов — точное позиционирование (Precise point positioning — PPP).
Суть ее в том, что ровер получает точную позицию по результатам собственных измерений, корректируемых поправкой в часы и прогнозируемыми точными эфемеридами. Формируется поправка системой непрерывного мониторинга, образованной сетью из 80 станций, 20 стандартов частоты и нескольких дальномерных станций, уточняющих параметры орбит спутников ГНСС методами лазерной дальнометрии.

Преимущества метода в том, что поправки не требуют непрерывной синхронной связи, а действуют в течение десяти минут по получении, обеспечивая точность позиционирования 1 дм в режиме реального времени, и улучшают точность до 5 см за полчаса.

Суточные сессии дают точность определений, близкую к 5 мм. Понятие длины вектора от базовых станций в этом методе исчезает. Система GPS уже укомплектована достаточной инфраструктурой станций. Для эффективной генерации поправок по ГЛОНАСС нужно включить в нее не более десятка станций в высоких широтах. Этим в нашем Роскосмосе занимается команда развития СДКМ (система дифференциальной коррекции и мониторинга), но не могу сказать, что идея входит в число приоритетных. Ведь для этого надо создать собственную службу точных орбит, организованную и доступную не хуже той, что служит ГЛОНАСС в NASA.

Последние две модификации метода реального времени, на мой взгляд, наиболее привлекательны для территорий России, не обеспеченных услугами ГНСС в большинстве производственных задач (это если задаться достижением оптимальной плотности в отрыве от закупочных тенденций грандиозных затрат).

Характерная динамика и точности, достижимые в производственных задачах методами реального времени, представлены на основе личной практики (табл. 2, где RTK Single Vector — реальное время по единичным векторам; RTK VRS® — реальное время по виртуальной станции; Inverse PTK — реальное время Inverse; PPP RT — реальное время PPP).

Таблица 2. Реальное время

Вопрос о приемлемости того или иного из описанных методов в их реализациях — задача не моего уровня. Экономические критерии выгодности в эпоху массового распила казны способны менять законы физики и правила математики вопреки мировым ценностям цивилизации.

О координатных системах
Тема единства координат в РФ неисчерпаема, как вселенная или атом. Коллайдер — семечки по сравнению с громадьем навороченных местных систем в каждом городе и поселке городского типа. Добавим к ним государственные: СК–42, которая признана не отвечающей точности нынешних средств измерений и отменена; СК–63, также выведенная за скобки применения; СК–95, которая введена, но живет как гастарбайтер без права на работу; МСК — убогое незаконнорожденное дитя военного понимания гражданских задач, по маме — чистокровная СК–42, а лицом в папу — СК–63.

Самое веселое в этом замечательном зоопарке то, что кадастр вышел ростом и лицом не в маму и папу, а в соседское общежитие — местные плоские прямоугольные системы. В местных системах и собрано большинство сведений по объектам учета земель. Хорошо если это земли поселений, где землемеры регистрируемые границы приладили к городским полигонометриям. А леса и пашни межевались на основе ориентации мха на пеньке, площади угодий вгонялись в нормативную отчетность времен Госкомстата СССР.

С поголовным понуждением всех к системе МСК в качестве единой основы в пределах субъекта РФ неожиданно всплыли на поверхность географические открытия, достойные XXI в. Первое откровение — кривизна земли. Плоские координаты участков на рельефе в городах определяли в меру понимания ценности земли. Чаще наклонными дальностями по склонам, ибо так стороны длиннее и участки представительнее. Те же, кому было доступно понятие горизонтального проложения, приводили измерения к условной средней плоскости территории. Знающие о редукции измерений на плоскость проекции Гаусса — Крюгера, соответствующей широте и долготе участка на эллипсоиде Крассовского, в землемерном деле только недавно начали появляться в связи с развалом геодезии в стране.

О том, что стороны участков и площади в проекции МСК будут заметно отличаться от традиционно измеряемых и стоящих на учете, в Росреестре не подозревают и по сей день.

С внедрением ГНСС в качестве основного средства измерений в межевании и кадастре вышеописанные проблемы полезли из всех щелей. К ним добавилось осознание того, что и сами каталоги координат государственной сети, выраженные в координатах МСК, весьма далеки от неискаженностей в десятки и сотни сантиметров.

Активно внедрявшие спутниковые методы тыкали пальцем в переведенные инструкции приемников и софта и научали озабоченных землемеров простым приемам локализации (калибровки), способным изогнуть реальную геометрию в полученной проекции по трем-четырем исходным так, что круглое станет квадратным, но впишется в выбранный сегмент ГГС.

Этот нехитрый прием по сей день массово используется и при межевании, и при развитии обоснований, пока не встретятся во поле два витязя с передачей трансформаций от разных пунктов. А встретившись, вспомянут они незлым тихим словом и сеть, и инструкции, и стольный град, и ГЛОНАСС, и много еще чего познавательного, но недоступного в нормативах.

В Калужской области благодаря профессиональной и дальновидной администрации сеть станций ГНСС является достоянием местных геодезистов и землемеров. Средства на ее создание удалось найти шесть лет назад. С той поры местные кулибины и черепановы самостоятельно обеспечивают решение задач позиционирования на основе данных общественного ресурса. А вот вопрос о единстве координат и бесконфликтных результатах межевания висит в воздухе.

Забавны коллизии нашей бюджетной дисциплины. Реконструкция местной системы координат востребована всеми, кто проектирует и строит в развивающемся регионе. Для этого нужна инвентаризация пунктов ГГС и каталогов, основанная на реальных измерениях. Нужен уточненный квазигеоид территории, позволяющий применять спутниковые методы не как микроскоп в качестве сверла по бетону. Да вот закавыка — нецелевые это расходы для местного бюджета. А Москва такие заботы о местных системах только недавно вписала в список федеральных задач. Вот и получается, что у семи нянек — дитя сирота. Действующие методики реконструкции местных систем координат, изданные в 2003 г., опираются на технологии измерений начала 1990-х годов. Работу по ним с надеждой на вразумительный результат обеспечения преемственности систем и методическое подспорье в дальнейшем производстве можно сравнить с наставлениями по применению перфокарт для iPad.

Поражающий фактор каталогов МСК, быстро сверстанных 29-м НИИ МО РФ и вброшенных в гражданскую экономику с выдернутой чекой, имеет эффект непрерывно действующего заряда. Отказ бывшего Минимущества от принятия СК–95 за основу кадастра понятен с позиции невлезания в допуски описаниями границ по критериям гостайны. Но неужели точные измерения собственности в задачах мирного времени подрывают обороноспособность больше, чем бесконтрольное использование ресурсов и непозволительно дорогие проектирование и строительство?

В Калужской области реализуется прецедентный проект, в котором удалось соединить интересы администрации, федеральной власти, Роскосмоса и бизнеса в приведении средства измерения (ГНСС) в разумной и достаточной конфигурации к новой редакции пространственной местной системы координат путем инвентаризации существующей опоры и внедрения сегмента СДКМ для потребителей ГЛОНАСС с использованием методов дифференциального постпроцессинга и реального времени по технологии Inverse RTK. Выявленные искажения МСК–40 представлены на рисунке.

Искажения МСК-40 а — по восточной координате; б — по северной координате

Новая редакция пространственной местной системы координат (ПМСК) создается с целью использования наряду с прежними редакциями в качестве векторного слоя искажений ГИС, задающего изменения прежних значений координат в явном или параметрическом виде, для использования в задачах трансформаций.

Изложенные аспекты технической и методической проблематик, эффективного применения ГНСС в нашей стране тесно взаимосвязаны и увязли в противоестественной среде бездействующего законодательства.
Разработанная гражданами, ответственными за геодезию в РФ, «концепция развития» отрасли лично у меня не вызывает никакого оптимизма в отношении цивилизованного будущего.

ГЛОНАСС, как инженерно-технической системе, достойной великой страны, стоит быть благодарным за то, что у власти стал прорезаться интерес к системам измерения пространства и времени. Интерес запоздалый лет на 20, но появился. Хотя чем выше должность, тем ниже понимание того, зачем нужны точность, оперативность, актуальность и достоверность описания многообразия сущностей и явлений нашей жизни. И пока специалисты властью востребованы только для оправдания бюджетных освоений, а не формирования стратегических программ, у ГЛОНАСС есть все шансы остаться в новейшей истории очередным «всенародным кукурузоводством».