Основой наземной инфраструктуры систем точного определения пространственных координат (позиционирования) с помощью Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) являются дифференциальные станции, которые служат для непрерывного приема и обработки сигналов спутников ГНСС и формирования корректирующих данных, необходимых для точной спутниковой навигации и позиционирования. В зарубежных источниках эти станции обозначаются аббревиатурой CORS (Continuous Operation Reference Station). В нашей стране их называют спутниковыми базовыми, референцными, контрольно-корректирующими станциями или дифференциальными геодезическими станциями (ДГС). Постоянно действующие дифференциальные станции ГНСС устанавливаются в виде одиночных станций (рис. 1) или нескольких постоянно работающих дифференциальных станций, образующих сеть.
Рис.1 Постоянно действующая дифференциальная станция, установленная в порту.
На ранней стадии развития глобальных навигационных спутниковых систем первые постоянно работающие дифференциальные станции были установлены вдоль береговой линии для трансляции поправок дифференциальной коррекции (DGPS), которые позволяли повысить точность морской навигации с помощью спутниковых приемников (до 1 м). В настоящее время дифференциальные станции располагают в различных местах по всему миру, и их количество постоянно растет. Сеть дифференциальных станций обеспечивает единую пространственно-временную геодезическую основу точных и высокоточных ГНСС-измерений, необходимых для широкого спектра прикладных задач. Например, при наблюдениях за деформациями земной коры, создании опорных геодезических сетей, обеспечении топографических, кадастровых и строительных работ, сбора информации для ГИС-проектов, управлении строительной и сельскохозяйственной техникой, а также для мониторинга за природными и искусственными объектами.
Рис. 2 Дифференциальная станция системы мониторинга деформаций мостового сооружения
При выполнении геодезических измерений сеть постоянно действующих дифференциальных станций ГНСС является более эффективной, чем традиционные сети триангуляционных и полигонометрических пунктов. Дифференциальные станции могут быть установлены в любом месте, где они необходимы, так как в отличие от геодезических пунктов между ними не требуется наличия прямой видимости. Геометрия сети не является столь критичной, как в случае традиционных геодезических сетей, а точность выше и более стабильна. Такая сеть может быть практически любого размера. Одна или две одиночные дифференциальные станции — возможно, это все, что требуется для обеспечения работ на территории области, города, муниципального образования, строительной площадки, открытых горных выработках и т.д. Сеть, состоящая из большого числа постоянно действующих дифференциальных станций, будет обеспечивать выполнение работ на большей территории, например, на территории целого государства. В этом случае исполнитель может определить координаты своего местоположения с точностью от одного метра до нескольких сантиметров. Для этого ему необходимо установить полевой спутниковый приемник в районе работ, принять дифференциальные поправки с дифференциальной станции (или с сервера сети), и приемник сразу вычислит координаты текущего местоположения. Такой способ спутниковых измерений называется измерением в режиме реального времени (Real-Time mode). При этом поправки можно получать по радиоканалу, каналам мобильной связи и через Интернет. Кроме того, приемник может записывать спутниковые данные во внутреннюю память, для их последующей обработки совместно с данными дифференциальных станций и вычисления точных координат в камеральных условиях. Данный режим имеет название режим измерений с постобработкой (Post-processing mode).
Рис.3 Наблюдения за деформациями плотины ГЭС
В регионах, где вероятны землетрясения, вдоль основных линий разломов, в зонах вулканической активности устанавливают сети дифференциальных станций для наблюдений за деформациями земной коры. В этом случае управление сетью дифференциальных станций выполняется сервером с единого вычислительного центра. С помощью специализированного программного обеспечения сервер осуществляет обработку данных, получаемых с каждой дифференциальной станции сети, и вычисляет координаты антенн дифференциальных станций, которые позволяют определить и проанализировать их смещения и деформации. Подобные сети, но меньшего размера, используются для наблюдений за смещениями природных объектов и сооружений, например: ледников, оползней, плотин, мостов, высотных зданий, башен, морских нефтяных платформ и др.
Данные постоянно действующих дифференциальных станций и сетей на основе дифференциальных станций обеспечивают на больших территориях точное управление механизмами и машинами, оснащенными спутниковыми системами автоматизированного управления. За счет этого на протяженных строительных площадках и открытых горных выработках земляные и планировочные работы могут выполняться быстрее, с более высокой точностью, с использованием меньшего количества специалистов и техники. А во время сельскохозяйственных работ — при посеве зерновых культур, внесении удобрений в почву, сборе урожая, распылении инсектицидов — достигается не только эффективное использование сельскохозяйственной техники, но и повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
Широкое использование при управлении территориями и эксплуатации инженерных коммуникаций (водопровод, канализация, теплосети, линии электропередач, линии связи, газовые сети и т.п.) геоинформационных и спутниковых технологий требует постоянного контроля и обновления пространственного положения действующих и строящихся объектов. Наличие дифференциальных станций и сетей на их основе на территории муниципальных образований и городов обеспечивает получение точных данных о местоположении объектов с помощью спутниковых приемников ГНСС, оснащенных мобильными ГИС.
Приведенные примеры показывают, что дифференциальные станции могут использоваться в различных областях. Постоянно действующие дифференциальные станции особенно будут эффективны, когда съемка или мониторинг объектов должны выполняться постоянно на одной и той же территории в течение длительного периода времени. Сети дифференциальных станций могут быть установлены и сконфигурированы как для решения конкретной задачи и для одной группы пользователей, так и для решения большого числа задач и для множества разнообразных групп пользователей, организаций и ведомств. Одна станция может идеально работать на небольшой территории. Многоцелевая сеть из нескольких десятков постоянно действующих дифференциальных станций часто бывает более предпочтительна для крупного региона.
Отдельно стоящие дифференциальные станции и сети из них в настоящее время создаются и обслуживаются государственными, акционерными и частными организациями. Финансирование работ по созданию и эксплуатации постоянно работающих станций и сетей осуществляется как из государственного бюджета, так и за счет частного капитала. Но, несмотря на то, что количество одиночных станций и сетей ГНСС постоянно растет, во многих организациях и, особенно, среди потенциальных пользователей данными, предоставляемыми постоянно работающими станциями ГНСС, возникают сомнения в целесообразности практического использования таких услуг.
В приведенных ниже материалах даются практические рекомендации по установке одиночной дифференциальной станции или сетей дифференциальных станций, а также эффективному управлению ими, чтобы обеспечить необходимый сервис для точных ГНСС-измерений. Поскольку бюджет в большинстве случаев ограничен, а дифференциальные станции и сети из них могут значительно различаться по стоимости, то в каждом конкретном случае акцент должен смещаться в сторону выбора наиболее рентабельного решения.
Любая постоянно действующая базовая станция включает в себя приемник сигналов ГНСС, спутниковую антенну, источник бесперебойного питания и средства связи, которые устанавливаются стационарно на специально подготовленное место. Управление работой приемника ГНСС обычно осуществляется компьютером (сервером), который, как правило, расположен на удалении от приемника. Приемник ГНСС дифференциальной станции работает постоянно. «Сырые» данные кодовых или фазовых спутниковых измерений передаются в память сервера и записываются в файлы определенной длины. Эти файлы являются исходными данными для формирования корректирующей информации при постобработке совместно с данными подвижных ГНССо приемников. В зависимости от типа прикладной задачи длина файла может быть задана любым требуемым значением, от нескольких минут до часов или даже суток. Специализированное программное обеспечение сервера передает файлы по каналам связи на FTP-сервер для обеспечения пользователям простого к ним доступа через Интернет. Кроме того, программное обеспечение дифференциальной станции может обрабатывать данные приемника ГНСС и выдавать корректирующую информацию в виде дифференциальных поправок в различных форматах (например, RTCM). Передача поправок пользователям может осуществляться с передатчика дифференциальной станции, расположенного в удобном месте. Пользователи подвижных приемников ГНСС при выполнении полевых измерений могут получать дифференциальные поправки по радиоканалам, высокоскоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA и др.) или через Интернет. В зависимости от режима измерений и требуемой точности определяемых пространственных координат расстояние пользователя от дифференциальной станции может быть до 300 км. Однако при удалении от станции точность ухудшается пропорционально расстоянию. Для измерений в режиме реального времени с сантиметровой точностью (RTK — Real Time Kinematic) удаление от дифференциальной станции должно быть не более 25–30 км. Большому числу пользователей этого достаточно. Таким образом, им хватит одной дифференциальной станции. В других случаях может потребоваться целая сеть постоянно работающих дифференциальных станций, возможно 5, 10, 20 или даже больше (рис. 4), чтобы обеспечить необходимую точность получения пространственных координат на больших площадях и территориях.
Сеть постоянно работающих дифференциальных станций состоит из нескольких ГНСС приемников, подключенных к серверу по каналам связи. В качестве каналов связи могут использоваться компьютерные сети, телефонные проводные линии, сотовая связь или глобальная сеть Интернет. Сервер с программным обеспечением для работы с дифференциальными станциями может управлять одной дифференциальной станцией или сетью дифференциальных станций, включающей несколько сотен приемников ГНСС. Для управления одиночной дифференциальной станцией компьютер или сервер часто подключается к приемнику напрямую. В сети с большим количеством дифференциальных станций сервер, как правило, размещается в едином вычислительном центре и коммутируется с приемниками посредством вышеуказанных каналов связи. На сервере уставлено специализированное программное обеспечение для управления всеми станциями сети, при этом для каждого ГНСС приемника отдельный компьютер или сервер не требуется. Оно позволяет загружать файлы спутниковых данных приемников в память сервера через регулярные промежутки времени. Если необходимо, «сырые» данные также могут передаваться от приемника на сервер постоянно, секунда за секундой. Программное обеспечение сервера конвертирует данные в различные форматы, например RINEX, и сохраняет их в виде файлов. Файлы передаются на FTP-сервер для доступа к ним через Интернет. Файлы могут архивироваться для хранения. Однажды установленные и сконфигурированные дифференциальные станции и сети из них будут функционировать в полностью автоматическом режиме. Однако инспектор системы может входить в нее, проводить осмотр приемников и сети, а также выполнять настройки и вносить изменения. Система также может выдавать дифференциальные поправки, необходимые для выполнения измерений в режиме реального времени.
Рис. 4 Сеть постоянно работающих дифференциальных станций на территорию Гонконга
Рис. 5 Сеть постоянно работающих дифференциальных станций на территории Швейцарии
Рис. 6 Сеть постоянно работающих дифференциальных станций АО «Ростехинвентаризация — Федеральное БТИ» (Россия).
Дифференциальные станции и сети дифференциальных станций могут значительно отличаться по площади охвата и сложности решения. Главным отличием сети дифференциальных станций от одиночной дифференциальной станции является наличие каналов связи для передачи данных с удаленных приемников ГНСС дифференциальных станций на сервер единого вычислительного центра. Также, это наличие инфраструктуры, обеспечивающей поддержание работы дифференциальных станций, включая электропитание, постоянный контроль состояния приемников ГНСС и безопасность.
Организации, планирующие установку постоянно работающих дифференциальных станций или создание сети дифференциальных станций, должны тщательно обдумать, для каких целей будут использоваться данные дифференциальных станций, и какие услуги предполагается предоставлять потенциальным пользователям. От этого будет зависеть уровень сложности решения и стоимость проекта.
Таким образом, если принято решение об установке постоянно работающей дифференциальной станции для обеспечения собственных производственных задач или создания сервиса для точного определения пространственных координат на основе сети дифференциальных станций, то для начала необходимо найти ответы на ряд вопросов, которые будут рассмотрены в последующих публикациях. Это во многом определит успех реализации проекта, направление основных усилий и порядок мероприятий, а также уровень возможных финансовых и временных затрат.