Основной частью оборудования постоянно действующей дифференциальной станции является приемник сигналов ГНСС и приемная антенна. Кроме этого в оборудование дифференциальной станции входят антенный кабель, источник бесперебойного питания, устройство проводной или беспроводной связи, устройство грозозащиты и молниезащиты, пилон или кронштейн с центрировочным устройством для крепления ГНСС-антенны, защитный шкаф для оборудования. Кроме этого дифференциальная станция может быть оснащена системой охлаждения или обогрева, метеодатчиком, датчиком наклона, системой сигнализации при несанкционированном доступе и иным дополнительным оборудованием по необходимости.
Отметим следующие главные особенности постоянно действующей дифференциальной ГНСС-станции:
- Оборудование станции должно включать приемник сигналов ГНСС и спутниковую антенну, источник бесперебойного питания, средства связи.
- Оборудование станции устанавливается стационарно, на специально подготовленное место. Спутниковая антенна фиксируется жестко на специальном неподвижном пилоне или креплении в месте с наилучшим обзором небесной сферы.
- Станция работает автономно, без участия оператора. Контроль работы станцией осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, установленного на удаленный сервер или персональный компьютер (ПК).
- Станция передает в режиме он-лайн на удаленный сервер поток предварительно обработанной информации, полученной ГНСС-приемником.
- На станции непрерывно и постоянно формируются спутниковые корректирующие данные, представляющие собой файлы данных спутниковых наблюдений, служащих для постобработки совместно с данными спутниковых наблюдений подвижных (полевых) спутниковых приемников, а также спутниковые дифференциальные поправки, передаваемые в режиме реального времени пользователями полевых спутниковых приемников для уточнения их местоположения.
Одиночная станция обеспечивает пользователей подвижных спутниковых приемников, находящихся в радиусе не более 25–30 км от дифференциальной станции, данными, необходимыми для определения пространственных координат в режиме реального времени, с сантиметровой точностью RTK (Real-Time Kinematic).
Организациям, предоставляющим данные для точного позиционирования пользователям, находящимся в непосредственной близости, достаточно установить одну или несколько постоянно действующих дифференциальных станций. Большинству пользователей вполне достаточного сервиса, предоставляемого одной дифференциальной станцией.
Приемники сигналов ГНСС
Фазовые многоканальные приемники сигналов ГНСС являются наиболее подходящими для использования в качестве дифференциальных станций, если они позволяют принимать сигналы глобальных навигационных систем: GPS (NAVSTAR) на частотах L1, L2, L2C и L5; ГЛОНАСС в частотных диапазонах L1 и L2, а также разворачиваемых систем Galileo и Beidou. Современные приемники такого класса имеют не менее 72 каналов для приема сигналов ГНСС. Приемники не только осуществляют измерения и запись фазы несущих частот сигналов, но и могут генерировать дифференциальные поправки для точного определения пространственных координат в режиме реального времени (RTK, DGPS) и формировать выходные данные в различных форматах (RINEX, NMEA), необходимых для различных приложений. Однако следует иметь в виду, что различные производители спутникового геодезического оборудования предлагают как мобильные приемники сигналов ГНСС, так и специально разработанные приемники для работы на стационарных дифференциальных станциях. Мобильные приемники не всегда подходят для создания CORS-станции. Для постоянно действующей дифференциальной станции не столь критичными являются такие характеристики ГНСС-приемника, как температурный режим его работы и защита от пыли и влаги. Но для того, чтобы обеспечивать услугами точного определения пространственных координат различных пользователей в одно и то же время, лучше, если приемник может регистрировать данные на большой скорости, постоянно передавать непрерывный поток «сырых» данных, а также выводить RTK и DGPS-поправки в наиболее широко применяемых форматах (RTCM, Leica, CMR, CMR+). Приемники, используемые в качестве дифференциальных станций, должны иметь соответствующие порты для:
— соединения с управляющим компьютером, на котором работает программное обеспечение дифференциальной станции (COM или Ethernet);
— подключения коммуникационного устройства для передачи RTK и DGPS поправок;
— подключения основного и резервного источников питания;
— подключения внешнего стандарта частоты (если необходимо);
— вывода меток точного времени (PPS);
— подключения периферийных устройств, таких как метеорологические датчики и датчики наклона.
Рис. 7 Приемник для постоянно действующей дифференциальной станции
Приемник для постоянно действующей дифференциальной станции (рис. 7) должен обладать возможностью передачи непрерывного потока «сырых» спутниковых данных на управляющий компьютер, а также иметь большой объем внутренней памяти для накопления данных в случае прекращения связи с компьютером и возможность автоматической передачи этих данных при восстановлении соединения.
Одночастотные приемники имеют ограничения по функциональности и не подходят для использования в качестве многоцелевых дифференциальных станций, которые требуются в настоящее время. Однако они могут быть использованы для станций, которые транслируют данные дифференциальной коррекции (DGPS) для мобильных приемников, собирающих ГИС-информацию, и навигационных приемников. Одночастотные приемники можно использовать в пределах небольших, короткобазисных сетей для целей мониторинга объектов, но предпочтительно и в этом случае применять двухчастотные приемники.
Антенны приема сигналов ГНСС
Если постоянно действующая дифференциальная станция является, например, частью государственной геодезической сети первого порядка, необходимо использовать антенны особого типа (Choke-ring) Dorne & Margolin, снабженные специальным экраном с кольцами для защиты от переотраженных спутниковых сигналов (рис. 8). Так на дифференциальных станциях, которые формируют всемирную международную сеть IGS, также, как правило, требуется использование таких антенн. Они отличаются высокой стабильностью фазового центра, возможностью снижения многопутности (многолучевости) до незначительного уровня и позволяют гарантировать высокое качество получаемых данных. Для одиночных дифференциальных станций и для дифференциальных станций в сетях, предназначенных, в основном, для обеспечения строительных, кадастровых, маркшейдерских работ, топографических съемок, и передающих данные подвижным приемникам, работающим в режиме реального времени, вполне подходит стандартная геодезическая антенна, используемая на подвижном приемнике, если она обеспечивает хорошее качество сбора данных. Стандартная геодезическая антенна достаточна для большинства приложений и может быть значительно дешевле Сhoke-ring-антенны. Антенны типа Сhoke-ring обычно сверху закрываются колпаком в виде купола из радиопрозрачного материала (пластика) для защиты от осадков и различного мусора.
Рис. 8 Спутниковая антенна типа Choke—ring Рис. 9. Спутниковая антенна с защитным колпаком
Крепление ГНСС-антенны
Антенна постоянно действующей дифференциальной станции должна быть неподвижна, поскольку пространственное положение ее фазового центра будет исходным при определении и задании координат дифференциальной станции. Следовательно, антенна должна быть жестко закреплена на месте размещения дифференциальной станции. Если дифференциальная станция размещается на открытой местности, то ГНСС-антенну рекомендуется крепить на специальном пилоне на монолитном фундаменте, установленный по всем правилам закладки долговременного геодезического пункта. Например, если станцию предполагают использовать для наблюдений за движениями земной коры, то пилон должен быть установлен на коренных породах. Использование стандартного деревянного или геодезического штатива при этом не желательно. ГНСС-антенну устанавливают на отдельно стоящем железобетонном пилоне (рис. 10) или на стальной трубе, диаметром не менее 10 см, которую жестко крепят на несущей стене здания, на его крыше (рис. 11). В верхней части пилона или трубы должна быть металлическая пластина с выступающим винтом для принудительного крепления антенны.
Рис. 10 Крепление антенны спутникового приемника на железобетонном пилоне
Рис. 11 Крепление антенны спутникового приемника на стене здания
Антенные кабели
Если установка антенны ГНСС дифференциальной станции предусмотрена на большом расстоянии от приемника, например, на крыше здания, то потребуется длинный кабель. Существуют антенные кабели длиной 10, 30, 50 м и более. Чем длиннее кабель, тем больше его толщина для минимизации потери сигнала, и тем тяжелее и более громоздким он оказывается. Поэтому, чем короче кабель, тем лучше. В случае если длина кабеля более 70 м, в зависимости от его марки, может потребоваться усилитель сигнала, который устанавливается на стыке кабелей, образующих общую линию. Однако, по возможности, необходимо избегать использования сверхдлинных кабелей и стараться установить приемник как можно ближе к антенне.
Источники электропитания
Оборудование дифференциальной станции требует надежного и бесперебойного электропитания. При подключении к электросети переменного тока (220 В), как правило, используется AC-DC-адаптер. В случае прекращения подачи электроэнергии переменного тока или ее аварийного отключения, должен быть предусмотрен резервный источник электропитания. Поскольку внезапное прекращение подачи электропитания на оборудование дифференциальной станции может вывести ее из строя, и исполнители в поле будут вынуждены прекратить работы. Пользователи, которые платят за услугу и данные, предоставляемые с постоянно действующей дифференциальной станции, вряд ли будут довольны перебоями в работе дифференциальной станции. Поэтому на постоянно действующей дифференциальной станции обязательно должен быть предусмотрен резервный источник электропитания. Для одиночной дифференциальной станции резервный источник электропитания может быть общим для компьютера и приемника. При обеспечении работы дифференциальной станции в течение ограниченного периода времени (при аварийном отключении электросети) используется источник бесперебойного питания (UPS). Эти источники могут быть различного типа и различной емкости. Чем больше емкость, тем дольше источник может поддерживать оборудование в рабочем состоянии. Следует иметь в виду, что современные приемники ГНСС, используемые на дифференциальных станциях, имеют функцию автоматического перезапуска, как только электропитание восстанавливается. Для большей надежности можно предусмотреть установку резервного источника питания отдельно для приемника и компьютера. Если питание отключается только у компьютера, приемник будут продолжать работать в нормальном режиме, т.е. регистрировать данные и, если он соответствующим образом настроен, передавать данные RTK и DGPS.
Иногда возникает необходимость установить дифференциальную станцию на месте, где отсутствуют электрические сети. В этом случае требуется постоянный автономный источник электропитания, который выбирают исходя из конкретных местных условий. Например, в районах с жарким климатом могут быть использованы солнечные батареи.
Защита от молний и гроз
Если дифференциальные станции устанавливают в регионе, где часто бывают грозы, рекомендуется защищать оборудование станции от попадания молний. Защита может быть обеспечена при помощи громоотвода или молниеотвода. На высоких зданиях, как правило, устанавливают молниеотводы. Они обычно состоят из одного или более металлических стержней, соединенных с помощью толстой медной ленты, нижний конец которой вкопан в землю. Специальный молниеотвод должен быть установлен рядом со спутниковой антенной. Для того, чтобы не мешать прохождению спутниковых сигналов, стержни молниеотвода не должны быть слишком высокими. Одно из возможных решений может включать четыре небольших стержня, установленных с четырех сторон от антенны так, чтобы они не поднимались выше 10º над горизонтом. Если антенна устанавливается на здании, ее молниеотвод должен быть связан с молниеотводной системой здания и заземлен (эти работы должны выполнять специалисты).
Под воздействием электромагнитных полей, возникающих во время грозы, в антенном кабеле может появиться электрический ток и повредить приемник дифференциальной станции. Для защиты приемника используется грозовой разрядник, который должен быть размещен в антенном кабеле, между антенной и приемником, и заземлен. Если антенна находится на здании, грозовой разрядник должен быть соединен с молниеотводной системой здания и заземлен. Грозовой разрядник защищает приемник и все оборудование, которое к нему подключено (например, компьютер), от всплесков напряжения, кроме спутниковой антенны.
Метеорологические датчики.
Задержка спутниковых сигналов в атмосфере дает важную информацию для метеорологов. Некоторые организации за рубежом, являющиеся операторами дифференциальных станций, поставляют данные метеорологическим службам. Эти данные используются при подготовке прогнозов погоды и изучении климатических явлений. Для получения таких данных обычно требуется соединить метеорологический датчик с приемником ГНСС на дифференциальной станции. Метеорологический датчик определяет температуру, влажность и давление. Эти данные записываются совместно со спутниковыми измерениями в ГНСС-приемник. Программное обеспечение на сервере загружает их и трансформирует метеорологические данные в формат RINEX.
Датчики наклона
Периодически требуется проверять координаты дифференциальной станции (пространственное положение антенны). Обычно это делается по результатам постобработки линий от дифференциальной станции к опорным пунктам, к которым осуществлена геодезическая привязка антенны дифференциальной станции. Хорошо, если антенна установлена на крыше здания, на невысоком пилоне с фундаментом, который не испытывает деформации. Однако, если антенна установлена на высоком пилоне или стальной трубе, ее положение в пространстве может со временем изменяться, из-за ежедневных деформаций вследствие температурных колебаний, давления ветра и др. Чем выше основание, на котором устанавливается антенна, тем более вероятным является появление у нее наклона. Для определения наклона основания антенны на нем закрепляют датчик наклона, который соединяют с приемником ГНСС. Электронный двухосевой датчик (рис. 12) измеряет наклон по двум плоскостям и передает полученные значения в цифровом виде в память приемника ГНСС, где они записываются совместно с «сырыми» спутниковыми данными и могут быть внесены в RINEX-файл. Эти данные затем анализируются для определения наклона основания, на котором установлена антенна.
Рис. 12 Электронный двухосевой датчик наклона NIVEL