64
ГЛАВА 3. СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ ГУПТИ МО С ИС-
ПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
3.1. Программа развития ГЛОНАСС инфраструктуры в Мурман-
ской области на базе ГУПТИ МО
Основные элементы и структура сети спутниковых постоянно дей-
ствующих реферецных станций.
Сеть постоянно действующих спутниковых референцных станций –
это совокупность постоянно действующих спутниковых референцных стан-
ций (Continuously Operating Reference Stations (CORS)), установленных на
местности по определенной схеме, объединенные каналами коммуникаций
для сбора и обработки спутниковых данных в едином центре для выполнения
измерений и определения расположения объектов на большой площади с
одинаковой точностью и в единой системе отсчета времени и пространства.
Сети базовых спутниковых референцных станций считаются состав-
ляющей современной системы определения местоположения (системы точ-
ного позиционирования) объектов с помощью спутниковых навигационных
технологий. Эта технология определяет географические координаты объек-
тов и людей в любом месте, в любое время суток при любых погодных усло-
виях и с неизменной точностью. Спутниковая система точного позициониро-
вания функционирует на основе сигналов Глобальных навигационных спут-
никовых систем (ГНСС) (Global Navigation Satellite System (GNSS)).
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)- системы, в
которые входит набор искусственных спутников Земли (ИСЗ), передающих
радиосигналы наземным пользователям для определения местоположения в
пространстве с помощью приемной аппаратуры, а также станции слежения,
центры вычисления параметров орбит, характеристики системы координат и
времени, в которых определяются положения спутников и пользователей.
В настоящее время функционируют американская ГНСС GPS (24 ос-
новных спутника), российская ГЛОНАСС (19 действующих КА), развивают-
ся европейская ГНСС Galileo, китайская COMPASS, японская QZSS, индий-
65
ская IRNSS.
Определение местонахождения с помощью ГНСС происходит мето-
дом пространственной засечки. Спутники играют роль опорных пунктов, ко-
ординаты которых всякий раз известны в любой момент времени.
Координаты объекта определяются способом засечек по измерениям
расстояний до спутников ГНСС при помощи аппаратуры на земле. Расстоя-
ние до спутника определяются по времени задержки радиосигнала, излучен-
ного спутником. ГНСС-приемники используют точные часы, корректируе-
мые по атомным часам спутников. Точность определения координат абсо-
лютным способом с помощью ГНСС составляет несколько метров.
При выполнении геодезических измерений, кадастре объектов не-
движимости, маркшейдерских съемок требуется дифференциальная методика
(относительного метода) для определения местонахождения с большей точ-
ностью. Этот способ предполагает использование опорного (базового, рефе-
ренцного) приемника ГНСС для получения уточняющей корректирующей
информации (дифференциальных поправок).
36
Создано большое количество алгоритмов дифференциальной коррек-
ции, которые позволяют определять координаты, расстояние между точками
с точностью до сантиметров и миллиметров. Измерения могут производиться
в двух режимах: с накоплением спутниковых данных и их дальнейшей обра-
боткой для получения результатов или в режиме реального времени, когда
спутниковые поправки передаются от опорного приемника до перемещаемо-
го по каналам связи (радио, сотовая связь, интернет). Расстояние от референ-
цного (опорного) приемника может быть до нескольких десятков, сотен, а так
же тысяч километров в зависимости от требуемой точности определения по-
ложения (координат).
Есть большой диапазон навигационного оборудования
(GPS/ГЛОНАСС приемников) для самых разных приложений, от бытовых до
36
Leica Geosystems AG [Официальный сайт]. Режим доступа: http://www.leica-geosystems.ru/ru/index.htm
66
профессиональных. В мире тысячи референцных станций, обеспечивающих
корректирующими поправками прибрежные зоны, акватории, города и реги-
оны.
Спутниковая технология определения местонахождения имеет пре-
имущества перед классическими способами наземного ориентирования и за-
сечек, позволяет получать пространственные координаты автоматически, без
применения внешних ориентиров на территории в любом месте, где прини-
мается спутниковый сигнал, при любых погодных условиях, сокращает вре-
мя и упрощает сам процесс.
Референцные станции (РС) могут быть полевыми и стационарными
(базовыми, постоянно-действующие). Применение полевых (выносных) ре-
ференцных станций связано с неудобствами и проблемами (необходимость
каждый раз точно выставлять в одном и том же месте, гарантировать непре-
рывное электропитание, контроль за работой, охрану и защиту от внешних
воздействий, надобность бригадной работы). На местностях, где постоянно
выполняются измерения, наилучшим считается применять стационарные по-
стоянно-действующие спутниковые референцные станции (РС).
Постоянно действующая референцная станция включает в себя ГНСС
приемник, спутниковую антенну, бесперебойное питание, способы связи,
которые уточняются стационарно на определенное место. РС имеет возмож-
ность управляться автоматически с компьютера и специализированного
программного обеспечения. Она может работать независимо, без участия ко-
го-либо. Станция может создавать спутниковые данные для постобработки
(РР) с данными полевых спутниковых измерений, а еще спутниковые
дифференциальные поправки для получения пользователями передвижных
спутниковых приемников (роверов) точных пространственных координат в
реальном времени (RTK). Данные для постобработки могут архивироваться
на жесткий диск компьютера базовой станции и передаваться по каналам
связи на сервер для удаленного доступа. Пользователи подвижных
приемников могут получать дифференциальные поправки по радио каналам,
67
скоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA и др.) или через
Интернет.
Одиночная базовая станция гарантирует определение пространствен-
ных координат в режиме реального времени с сантиметровой точностью (Re-
al-Time Kinematic) в радиусе не больше 25-30 км. Непосредственно удаление
ровера от базовой станции может быть большим, например 300 км. Однако
при удалении от станции точность позиционирования ухудшается пропорци-
онально расстоянию.
Сеть РС может покрыть большую площадь: чем больше станций, тем
больше площадь покрытия. Для устранения трудности получения достовер-
ных результатов на удалении от станций, станции ставят плотно с перекры-
тиями зон воздействия. Расстояния между станциями примерно должны со-
ставлять 25 км. Предельная дальность работы в режиме RTK - до 50км, но
как правило бывает 25км. Точность измерений при этом составляет 12-13мм.
В периоды сильного солнца искажения радиосигналов спутников
ГНСС приводит к ухудшению точности или же невозможности исполнять
четкие измерения на расстояниях более 25 или же 15 км.
В целях исключения ошибок, вносимых искажениями в атмосфере, а
также нарастающей погрешности от удаления от ближайшей станции форми-
руется временная модель ошибок и корректирующих поправок на основе
данных нескольких станций и знаний об их точном положении. Эта модель
предполагает совместное уравнивание данных со всех РС и вычисление поля
дифференциальных поправок на всю территорию покрытия сети.
Совместное уравнивание данных со всех РС разрешает получить сете-
вые поправки (поле поправок), которые могут тут же транслироваться по ка-
налам связи на перемещаемый приемник (ровер). С помощью соответству-
ющей функции приемника пользователь может получить точные координаты
своего положения с учетом уравненных поправок с одинаковой точностью и
надежностью в любом месте покрытия сети.
Данные для расчета поля поправок должны поступать с каждой РС в
68
центр обработки постоянно и беспрерывно. Контроль работы нескольких
станций, находящихся на большой территории, эффективней выполнять с
единого вычислительного центра управления (ВЦ). Таким образом, пред-
ставленная система представляет собой сеть референцных станций, единооб-
разно управляемая для создания общего поля корректирующих поправок
всем пользователям.
Централизованное управление и сбор данных с нескольких РС в вы-
числительном центре разрешает с помощью специального программного
обеспечения одновременно создавать поправки разным пользователям с раз-
ным уровнем точности и периодичности, архивацию данных для дальнейшей
обработки, организацию системы доступа по различным каналам связи, т.е.
оказывать сервис точного позиционирования на основе спутниковых навига-
ционных технологий. Такую систему называют спутниковой системой точ-
ного позиционирования (ССТП).
Благодаря сетевой методике формирования дифференциальных по-
правок пользователь имеет возможность получать координаты с точностью
до сантиметра на удалениях от РС до 50 км, а расстояние между станциями
может быть до 80 км. В таком случае, при использовании данных спутнико-
вых СТП в кадастровых съемках, геодезических измерениях нет надобности
прокладки теодолитных, полигонометрических ходов, создания переходных
опорных пунктов.
Присутствие на территории сети постоянно-действующих референ-
цных станций позволяет не беспокоиться о наличии плотной сети закреплен-
ных на земле опорных знаков и реперов.
37
Это значительно уменьшает затраты на выполнения измерений
(транспорт, износ оснащения, человеческие ресурсы, накладные расходы)
уменьшает время выполнения работ, гарантирует предоставление простран-
ственных результатов в цифровом виде в едином координатно-временном
поле на обширных территориях. Значимо сокращаются затраты на создание
37
ООО"Инжиниринговый центр ГФК" [Официальный сайт]. Режим доступа: http://www.icentre-gfk.ru/
69
опорной межевой сети и поддержании ее в рабочем состоянии.
В общем, спутниковая система точного позиционирования имеет как
преимущества, так и недостатки.
К плюсам можно отнести:
- Единое унифицированное координатно-временное поле;
- Единое управление и координация, единая организационная струк-
тура (Пользователь может отказаться от организации у себя вычислительного
процесса, экономя ресурсы на компьютерной технике, программном обеспе-
чении, содержании обслуживающего персонала, поскольку централизованная
обработка информации в ВЦ обойдется дешевле);
- Непрерывная постоянная работа (при этом методы с применением
системы ГЛОНАСС позволяют достаточно комфортно работать в высоких
широтах, в условиях полярной ночи, при низких и высоких температурах (от
-40 до +65 градусов С) );
- Неограниченное количество пользователей ССТП;
- Сокращение затрат на развитие и содержание наземного опорного
обоснования (не надо создавать опорные межевые сети (ОМС), отпадает
надобность привязки к пунктам государственной геодезической сети (ГГС),
что собственно позволяет сэкономить средства на создание и поддержание
этих сетей в дееспособном состоянии);
- Сокращение затрат и времени на полевые измерения и съемки
(пользователь при работе в поле работает с одним спутниковым приёмником
и при этом работа в режиме реального времени в течение 1 минуты и менее
получить координаты и высоты в требуемой системе);
- Предоставление данных в современном трехмерном цифровом ви-
де;
- Высокая точность определения координат объектов (до 1 мм), недо-
ступная другим методам;
- Позволяет предоставлять услуги не только для съемок и измерений
точных координат точек, линий, полигонов в геодезии, топографии, кадастре,
70
строительстве, но и навигации транспортных средств, диспетчеризации пере-
возок грузов, позиционирования объектов (кранов, вагонов, цистерн, танке-
ров, плавучих буровых платформ и др.), постоянного мониторинга деформа-
ции зданий и сооружений.
Минусы системы:
- Большие начальные расходы на создание единой системы;
- Необходимость наличия постоянной структуры, поддерживающей
работу системы;
- Необходимость постоянного технического поддержания (оборудо-
вание станций, каналы связи, оборудования вычислительного центра);
- Необходимость выделения постоянных средств на нескончаемую и
стабильную работу каналов связи.
Возможные сферы использования ССТП в прикладных задачах коор-
динатно-временного и навигационного обеспечения хозяйственной деятель-
ности:
- кадастр недвижимости, землеустройство и мониторинг земель, в
том числе определение координат поворотных точек границ административ-
ных образований, земельных участков, координат объектов недвижимости,
координатное обеспечение аэрофотосъёмки и создание крупномасштабных
кадастровых карт и планов;
- геодезия и картография, в том числе создание геодезических сетей
различного назначения, создание топографических карт и планов;
- планирование территорий, градостроительство, в том числе опреде-
ление или вынос в натуру границ поселений, красных линий в них, проектно-
изыскательские работы, исполнительные съёмки;
- строительство промышленных и иных объектов, проектно-
изыскательские работы, вынос объектов в натуру, исполнительные съёмки,
разбивка строительных сеток, обеспечение маркшейдерских работ;
71
- прокладка железнодорожных и автомагистралей, мостов и иных со-
оружений на дорогах, нефте- и газопроводов, линий электропередач и связи,
проектно-изыскательские работы, исполнительные съёмки;
- разработка природных ресурсов, в том числе проектно-
изыскательские работы, разработка карьеров, управление техникой (бульдо-
зеры и пр.) координирование скважин и других ресурсодобывающих объек-
тов, исполнительные съёмки, природоохранные мероприятия;
- коммунальное хозяйство, в том числе вынос объектов в натуру, ис-
полнительные съёмки, крупномасштабное картографирование объектов (ко-
лодцев, задвижек, коллекторов и т.д.), отыскание колодцев и других объектов
в трудных условиях, например, зимой под снегом;
- сельское хозяйство, в том числе управление сельскохозяйственны-
ми машинами;
- геодинамика и мониторинг геологической среды, деформации и
смещения инженерных сооружений и грунтов;
- мониторинг передвижения специального транспорта, когда требу-
ется его позиционирование с ошибками 1 м и менее, позиционирование до-
рожно-транспортных происшествий, охранные мероприятия;
- метрология измерительных средств;
- координирование военной инфраструктуры в мирное время;
- на железнодорожном транспорте, кроме прокладки путей (позицио-
нирование локомотивов и вагонов на железнодорожных узлах с целью дис-
петчеризации их перемещений, мониторинг железнодорожного полотна, и
др.);
- в аэропортах, в т.ч. для геодезического обеспечения аэропортов в
соответствии с требованиями ИКАО, для испытания систем точной посадки
самолётов, прогноза состояния взлётно-посадочных полос, координирования
объектов инфраструктуры аэропортов, помещенных на территории аэродро-
ма и за его пределами;
72
- на воде: обеспечение комплекса топографо-геодезических, карто-
графических и специальных работ на акватории рек, озер, водоемов и морей
(установка навигационных знаков с учетом изменений линии фарватеров;
точное координирование мест затопления судов, барж; высокоточные работы
по локации донной поверхности для различных задач; высокоточные работы
по очистке дна рек, акваторий озер, морей; точная навигация в сложных ме-
стах судоходства; исследовательские работы на воде по различным проек-
там).
ССТП могут использоваться как для нужд отдельного предприятия
(горнодобывающий комбинат, месторождение, геотрест, БТИ) для решений
задач в локальном месте, так и в масштабах целого региона. При разработки
ССТП для региона потребуется решение региональной администрации о вы-
делении средств на создание такой системы для нужд самых разных органи-
заций, ведомств и, возможно, частных пользователей.
Описание действующей спутниковой геодезической сети ГУПТИ МО.
Предпосылки развития сети.
В реальное время в ГУПТИ МО создана спутниковая геодезическая
сеть, состоящая из 5 постоянно действующих (референцных) станций и вы-
числительного центра.
Сеть функционирует на основе сигналов Глобальных навигационных
спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС и GPS. Данный комплекс предна-
значен для геодезического обеспечения при выполнении специалистами
ГУПТИ МО топографо-геодезических работ на территории Мурманской об-
ласти.
Референцные станции расположены в городах Мурманск, Кандалак-
ша, Апатиты, Мончегорск, п.г.т. Никель; вычислительный центр (ВЦ) нахо-
дится в г. Мурманск. Схема сети приведена на Рисунке 7.
73
Рисунок 7. Схема сети референцных станций ГУПТИ МО
Постоянно действующая базовая станция состоит из:
-жестко закрепленной спутниковой приемной антенны в виде плоско-
го диска диаметром 40см и высотой 10см, закрытой сферическим защитным
колпаком, установленная на металлической подставке;
- кабеля от антенны к спутниковому приемнику длиной 30-50м;
- модуля молниезащиты;
- двухчастотного спутникового геодезического приемника;
- источника бесперебойного питания;
- средств коммуникаций для организации канала передачи данных.
Спутниковый приемник размещается в закрытом и отапливаемом по-
мещении офиса филиала ГУПТИ МО, защищенном от несанкционированно-
го доступа. Референцная станция работает в автоматическом режиме.
Все оборудование, используемое в ГУПТИ МО, поставлено ООО
«НАВГЕОКОМ» — дочерним предприятием швейцарской компании Leica
Geosystems AG в России .
38
В качестве каналов связи (2 Мбит) используется оптико-волоконная
38
ООО «Навгеоком» [Официальный сайт]. Режим доступа: http://www.navgeocom.ru/