Проектирование сети постоянно действующих дифференциальных станций ГНСС
При проектировании сети дифференциальных станций ГНСС выбор мест установки станций осуществляется так же, как и для одиночной дифференциальной станции, но дополнительно необходимо учитывать геометрию создаваемой сети для создания требуемой зоны покрытия. Плотность расположения дифференциальных станций, схема и геометрия сети напрямую зависит от географической особенности территории, расположения доступных мест для размещения оборудования станций, желаемой площади зоны покрытия, способа формирования спутниковой корректирующей информации в режиме реального времени (сетевых RTK поправок или поправок каждой станции в отдельности) и требуемой точности определения местоположения будущими пользователями. При этом, можно учесть рекомендации множества организаций и служб, имеющих опыт в построении сетей постоянно действующих дифференциальных станций, но и следует руководствоваться действующими нормативными документам. Так, пункт 4.2.1.2 Руководства по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS [2], гласит: «Выбор схемы проектируемой сети осуществляется, исходя из анализа собранных в процессе работ исходных материалов, условий технического проекта, а также из условий получения соответствующего класса создаваемой сети и выбора методов построения сети. Треугольники в сети должны быть по возможности равноугольными, а минимальное значение угла в сети — не менее 20º и не более 160º».
Однако при проектировании сети спутниковых дифференциальных станций и выборе ее правильной геометрии необходимо учитывать и особенности алгоритмов программного обеспечения для расчета пространственной модели ошибок спутниковых измерений. Сеть постоянно действующих дифференциальных станций ГНСС может быть более эффективной, чем традиционные сети триангуляционных и полигонометрических пунктов. При установке спутниковых дифференциальных станций имеется возможность выбирать места их расположения более свободно, так как, и в отличие от геодезических пунктов, между ними не требуется наличия прямой видимости.
Для оценки мест установки будущих дифференциальных станций можно воспользоваться следующим способом. После составления генеральной схемы сети постоянно действующих дифференциальных станций необходимо провести полевое тестирование с помощью спутниковых геодезических приемников. Приемники должны быть расположены в запроектированных местах установки станций для сбора данных не менее чем на сутки (в режиме «статика»), а также на пунктах с заранее известными координатами, имитируя работу пользователей (подвижных станций). Затем с помощью специального программного обеспечения (например, Leica GNSS Spider Re-Processing option) и собранных в поле данных необходимо симулировать работу дифференциальных станций и получить координаты подвижных станций на пунктах (с известными координатами) в режиме моделирования RTK. При этом также можно оценить целостность и качество «сырых» данных проектируемых дифференциальных станций.
Рис. 15 Схема сети и зона покрытия постоянно работающих дифференциальных станций ФГУП «Госземкадастрсъемка — ВИСХАГИ» на
территории Москвы и Московской области
Расстояния между базовыми станциями сети
Если сеть создается в качестве опорной геодезической сети для обеспечения геодезических и топографических работ на обширных площадях, особенно важно продумать в каких местах и на каком расстоянии друг от друга будут располагаться дифференциальные станции. Дифференциальные станции ГНСС должны быть установлены там, где они смогут обеспечить данными наибольшее число полевых исполнителей. Как правило, это означает установку большего числа станций сети в высокоразвитых регионах, а также в районах, где ведутся основные работы и наиболее важны точность и надежность позиционирования.
Необходимо учитывать тип корректирующей информации, которая будет предоставляться пользователям сети. Это могут быть только RINEX-данные для работы по методике постобработки или данные для работы в режимах реального времени (RTK или DGPS/DGNSS).
Если целью создания сети дифференциальных станций является мониторинг природных объектов и искусственных сооружений (линии тектонических разломов, вулканы, дамбы, мосты и т.д.), то расположение дифференциальных станций в значительной степени будет определяться структурой объекта мониторинга и ожидаемыми величинами смещений.
В странах с огромными пространствами неосвоенных земель или там, где не развиты сети сотовой связи, как правило, бессмысленно и экономически не целесообразно предусматривать работу пользователей на всей территории в режиме RTK. Для больших и не слишком развитых территорий расстояния между дифференциальными станциями могут достигать сотен километров. Устанавливать дифференциальные станции будет более правильно только в крупных населенных пунктах или в зонах, где осуществляются региональные проекты. Если необходимо, дифференциальные станции могут передавать RTK-поправки и обеспечивать зону охвата в радиусе до 20–30 км.
Пользователи, работающие на большом удалении от дифференциальных станций, там, где работа в режиме реального времени невозможна, могут установить временную (полевую) дифференциальную станцию, накопив спутниковые данные за достаточный период времени и получив ее точные координаты после обработки, совместно с данными ближайших постоянно действующих дифференциальных станций. Используя данные, собранные за несколько часов, процедура постобработки может обеспечить точность позиционирования 5 мм + 0,5ppm или лучше, при длине дифференциальных линий 100 км и более.
В случае, если требуется создать сеть, покрывающую обширную область поправками для постоянной и надежной работы в режиме RTK, и на это предусмотрены финансовые средства, плотность установки постоянно действующих дифференциальных станций должна быть выше. Как уже говорилось, каждая станция может покрыть область радиусом до 30 км и желательно, чтобы зоны охвата станций перекрывались. Однако в RTK-сетях расстояния между базовыми станциями могут достигать более 30 км, а удаление подвижной станции от ближайшей дифференциальной станции сети — до 50 км. Эта возможность появляется, благодаря специальным алгоритмам программного обеспечения сервера сети дифференциальных станций. Принимая потоки спутниковых данных со всех станций сети, программа создает модель ошибок определения координат для области сети, возникающих из-за текущих условий распространения сигналов спутников ГНСС над данной территорией. Дифференциальные поправки передаются пользователям не только с учетом ошибок спутникового позиционирования относительно отдельной (например, ближайшей) дифференциальной станции, но и с учетом изменения ошибок между станциями сети (интерполяционной модели сети). Это позволяет на подвижной станции определять координаты в режиме RTK на большем удалении от станций сети, а расстояния между базовыми станциями сети могут быть увеличены до 80-100 км.
Количество дифференциальных станций сети
Для предварительного расчета необходимого количества спутниковых дифференциальных станций сети для охвата территории определенной площади можно воспользоваться формулой:
N = L W/(2R — O)2,
где N — количество станций;
L — длина территории;
W — ширина территории;
R — радиус рабочей зоны одной станции (максимум 80–100 км);
O — область перекрытия рабочих зон между станциями.
Введя значения ширины и длины необходимой территории охвата на местности, можно вычислить площадь сети и количество необходимых станций (см. таблицу). Так, например, если взять радиус рабочей зоны каждой станции равным 50 км и область перекрытия рабочих зон станций — 5 км, то получится, что для охвата территории 40 тыс. км2 необходима сеть из 4–5 дифференциальных станций.
Приведенная формула может быть использована только для предварительного расчета необходимого количества дифференциальных станций сети, поскольку она учитывает равномерное расположение станций по всей территории. Окончательное решение о количестве необходимых станций должно быть принято, исходя из геометрии требуемой зоны охвата, плотности в отдельных областях и, конечно, из бюджета проекта по созданию сети дифференциальных станций.
| Предварительный расчет количества дифференциальных станций сети | |||||
| L, км | W, км | Площадь, км2 | R, км | O, км | N |
| 100 | 100 | 10 000 | 50 | 5 | 1–2 |
| 200 | 200 | 40 000 | 50 | 5 | 4–5 |
| 300 | 300 | 90 000 | 50 | 5 | 10 |
| 400 | 400 | 160 000 | 50 | 5 | 17–18 |
| 500 | 500 | 250 000 | 50 | 5 | 27–28 |
| 1000 | 1000 | 1 000 000 | 50 | 5 | 110–111 |
При создании сети, где предполагается предоставление сетевых RTK-поправок, необходимо учитывать тот факт, что алгоритм программного обеспечения сервера может формировать данные поправки только при наличии данных минимум с трех дифференциальных станций. Однако для надежности обеспечения постоянными сетевыми поправками необходимо иметь четыре, а лучше пять, дифференциальных станций, составляющих сеть. Это обусловлено тем, что если станций в сети будет только три, то в случае выхода из строя одной из них, сервер не сможет формировать сетевые поправки. В сети же, состоящей из 4–5 станций, в такой ситуации сервер автоматически выберет рабочие станции для формирования сетевого решения, а пользователи будут обеспечены сетевыми RTK-поправками и смогут работать без перерыва. Очевидно, что чем больше станций в сети, тем она надежнее.