Концепция сети постоянно действующих станций

КОНЦЕПЦИЯ СЕТИ ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИХ СТАНЦИЙ VIRTUAL REFERENCE
STATION (VRS) КОМПАНИИ TRIMBLE И ТЕХНОЛОГИЯ ЕЕ ПОЭТАПНОГО СОЗДАНИЯ
А.Ю. СТАРОСТИН,
ЗАО НПП «Навгеоком», г. Москва
Введение
В последние 3–4 года наблюдается взрывной рост числа сетей непрерывно действующих референцных
GNSS-станций для обеспечения режима RTK по всему миру.
Операторы сетей RTK работают с решениями, основанными на технологии ТRIMBLE, во многих станах
и континентах, включая Германию (8 земель из 16), Австрию, Швейцарию, США (5 сетей), Канаду,
Швецию, Финляндию, Данию, Бельгию, Францию, Испанию, Италию, Великобританию, Голландию,
Польшу, Чешскую Республику, Словению, Сербию, Южную Африку, Новую Зеландию, Австралию, Китай,
Малайзию, Тайвань, Корею и Японию (3 сети). Решения Trimble демонстрируют непрерывную работу 24
часа в сутки, 7 дней в неделю, обеспечивая необходимую надежность как операторам RTK-сервиса, так и их
заказчикам.
Настало время GNSS-инфраструктуры – технологии, которая состоит в использовании масштабируемой
системы постоянно действующих или временно установленных базовых станций, работающих
круглосуточно. В этом случае для выполнения работ в режиме реального времени пользователю не нужно
устанавливать собственную базовую станцию. Достаточно просто использовать свой передвижной GNSSприемник, сопряженный с действующей инфраструктурой посредством двусторонней связи, которая
доступна с помощью GSM, GPRS и других методов передачи данных. Вариант развертывания может
различаться от установки одиночной базовой станции до создания виртуальных сетей (VRS), способных
покрывать территорию целой области или даже всей страны.
Наибольшие затруднения при реализации инфраструктурных проектов на территории России возникали
из-за отсутствия качественных линий связи в удаленных районах. С учетом кардинальных изменений в
лучшую сторону, произошедших за последнее десятилетие на рынке телекоммуникаций, технология GPSинфраструктуры получила реальный шанс быть востребованной заказчиками из крупных отраслевых
геоинформационных и геодезических предприятий.
Создание GNSS-инфраструктуры имеет следующие преимущества:
• реализация единой системы координат на всей территории работы базовых станций;
• значительное увеличение производительности выполнения работ;
• сокращение проектных расходов;
• снижение профессиональных требований к исполнителям, уменьшение времени обучения;
• обеспечение безопасности базовых станций;
• сокращение расходов на оснащение GNSS оборудованием полевых бригад.
Потребителю при использовании GNSS-инфраструктуры предоставляется возможность выбора разного
уровня точности, соответствующего его индивидуальным требованиям. Эти данные могут использоваться
как в режиме реального времени, так и для подготовки данных для постобработки. По точности
предлагаемого решения можно выделить следующие услуги:
• Позиционирование в режиме реального времени. С помощью сети станций возможно достижение
точности определения местоположения 1–3 см в плане и 2–5 см по высоте. Созданием сети
референцных станций уменьшается влияние ошибок, зависящих от расстояния, и тем самым
улучшается точность и надежность результатов.
• Позиционирование в режиме реального времени с точностью от 0,5 до 3 метров.
Корректирующие поправки передаются в диапазоне УКВ и длинных волн в стандартном формате
RTCM. Кроме того, возможен ежесекундный прием корректурных данных по мобильному телефону
(GSM) или в двухметровом радиодиапазоне.
• Точное и высокоточное позиционирование. Для высокоточных измерений необходим процесс
постобработки данных. С помощью сети станций определение местоположения достигает
миллиметрового уровня, как в плане, так и по высоте. Данные предоставляются для пользователей в
стандартном формате RINEX как по е-mail, так и по ftp(http)-соединению или на CD/DVD.
Возможные варианты создания GNSS-инфраструктуры
Компания Trimble предлагает набор программных продуктов Infrastructure как для управления
одиночной базовой станцией, так и для работы с сетью базовых станций и выработке сетевых RTK-решений
на базе технологии VRS.
Одиночная базовая станция
Наипростейшим элементом GNSS-инфраструктуры является одиночная базовая (референцная) станция
(например, сеть базовых станций компании «Навгеоком»). Организаторами такой станции могут выступить
муниципальные, государственные или частные компании. Такая базовая станция, подключенная к
компьютеру с установленным на него программным обеспечением GPSBase, может выполнять следующие
функции:
• записывать в компьютер данные базовой станции для постобработки данных передвижного
приемника;
• передавать поправки RTK, обеспечивающие сантиметровую точность определения координат в
области радиусом 20 км от базовой станции;
• передавать поправки DGPS, обеспечивающие субметровую точность определения координат в
области радиусом 200 км от базовой станции.
Ярким примером, иллюстрирующим принцип организации одиночных базовых станций, является сеть
базовых станций Национальной геодезической службы США (NGS). Она состоит из тысяч одиночных
базовых станций, которыми управляют правительственные, коммерческие организации и академические
структуры. С помощью интернет-технологий пользователи могут напрямую получать доступ к данным.
Используя программу GPSBase, можно легко управлять базовой станцией для организации работ в
режимах с постобработкой и в RTK, экономя при этом средства и время. По мере роста требований можно
выполнить модернизацию программного обеспечения до GPSNet и RTKNet.
К основным достоинствам программы Trimble GPSBase можно отнести следующее:
•
Простота управления – программа легко настраивается пользователем, кроме того, существует
возможность полностью автоматического управления.
•
Работа с приемниками основных производителей GNSS-аппаратуры – список GPS-приемников,
поддерживаемых программным обеспечением GPSBase, очень обширный. Помимо всей линейки
двухчастотных приемников Trimble, программа может работать с основными моделями GPSприемников Javad, Topcon, Ashtech, Leica, Zeiss.
•
Подробная информация о наблюдаемых GPS-спутниках – оператору базовой станции доступна
подробная информация о количестве и расположении спутников на небесной сфере, об эфемеридах и
статусе спутников, значении URA.
•
Поддержка разнообразных форматов передачи информации пользователю – программное
обеспечение GPSBase поддерживает до десяти различных сценариев передачи данных в режиме
RTCM и CMR/CMR+ одновременно. В частности, возможна запись данных для постобработки с
различной частотой проведения измерений и одновременно передача дифференциальных поправок
неограниченному количеству передвижных приемников, использующих различные режимы работы.
•
Контроль и анализ результатов – программа GPSBase обеспечивает анализ значений DOP,
количества записанных эпох, выполняет оценку отношения сигнал/шум. Оператору доступны
детализированные оценки эффекта многолучевости и ионосферных ошибок, полная статистика
RAIM и многое другое.
•
Удобная и быстрая настройка конфигурации – имеется возможность заблаговременной
подготовки нескольких сценариев работы программы и, по мере необходимости, быстрой их смены.
Сеть базовых станций, управляемых из одного центра
Следующим шагом в развитии инфраструктурных проектов является создание сети независимо
работающих базовых станций. Управляемая из одного центра сеть станций способна покрывать большую
территорию, а ее единое администрирование обеспечивает значительно большее покрытие территории RTK
поправками или данными для постобработки. Кроме того, появляется возможность оценить контроль
качества сети. Например, мониторинг координат базовых станций относительно зафиксированных
координат одной из них позволяет контролировать изменение координат пунктов сети при длительных
периодах наблюдений.
Основным программным продуктом, работающим в едином центре, является модуль GPSNet. С его
помощью осуществляется связь с удаленными базовыми GPS-приемниками, контроль целостности системы,
контроль качества (QA/QC), анализ поступающих данных, в том числе оценка многолучевости, определение
срывов слежения за фазой несущей и ее восстановление и др. Она используется также для архивирования
измерительной информации с базовых станций в форматах: RINEX, компакт-RINEX (формат HATANAKA),
DAT и OBS. Кроме того, программа передает дифференциальные поправки в формате RTCM для
мобильного пользователя от ближайшей к нему базовой станции и показывает подключенных к системе
пользователей. Модуль тревоги при сбоях системы может сообщать о происшествиях по электронной почте
или посылать SMS на сотовый телефон.
VRS-сеть
Сочетание большой зоны покрытия с небольшим количеством базовых станций – третий шаг в развитии
GPS-инфраструктуры. Технология получила название сеть VRS (Virtual Reference Station). Используя
данные как минимум от трех базовых станций (со средним расстоянием между ближайшими станциями 50–
70 км), программная надстройка над GPSNet, называемая RTKNet, осуществляет обработку данных всех
входящих в сеть GPS-станций. RTKNet может обеспечивать работу как в режиме DGPS (точность 1–3 м),
так и в высокоточном RTK (точность 2–3 см) с инициализацией на лету. Моделирование ошибок в сети
позволяет минимизировать ошибки и обеспечить равномерную точность по всей зоне обслуживания, вне
зависимости от удаления от базовой станции. Также существенно (в несколько раз) уменьшается время от
момента установления связи с ВЦ до момента фиксации решения. Формирует сообщения в формате RTCM,
CMR/CMR+. Может генерировать поправки в формате FKP.
Типовая сеть VRS включает (рис. 1):
Рис. 1.
•
базовые станции с установленными на них GPS-приемниками и сетевой аппаратурой, служащей для
доставки «сырых» измерений в вычислительный центр;
•
сеть передачи данных, которая может быть реализована на различных физических принципах и
аппаратуре;
•
вычислительный центр системы с программным обеспечением Trimble GPSNet и RTKNet, физически
совмещенный с одной из базовых станций и предназначенный для сбора, обработки, архивирования
информации от базовых станций сети, организации взаимодействия пользователей системы с самой
системой и передачи дифференциальных поправок или их аналога пользователям;
•
аппаратуру конечных пользователей, обеспечивающую установление их связи с вычислительным
центром, прием от последнего поправок и учет их в наблюдениях, выполняемых GPS-приемником
пользователя.
Основные принципы работы системы
Процедура дифференциальной коррекции местоположения потребителя по технологии VRS включает
следующие основные этапы (рис. 2).
1. Данные с референцных станций сети непрерывно
передаются в вычислительный центр.
2. Разрешаются фазовые неоднозначности для базовых
линий сети.
3. Сравниваются координаты мгновенного решения с
известными координатами, и формируется невязка.
4. На основе вычисленных невязок строятся линейные
или более сложные (например, на основе фильтра
Калмана) модели ошибок, на основе которых
определяется
возможная
ошибка
положения
пользователя.
Рис. 2.
5. Пользователь отсылает навигационные координаты
своего местоположения в вычислительный центр системы (например, с помощью GSM-сети, по
протоколу NMEA (строка GGA), поддерживаемому большинством производителей GPS-приемников).
6. По данным о местоположении пользователя и реальным измерениям, поступающим с базовых
станций, создается виртуальная референцная станция. Расстояние от пользователя до виртуальной
станции намного меньше любого расстояния до реальной GPS-станции. Приемник интерпретирует
данные виртуальной станции как данные реально существующей физической станции.
7. По стандартным протоколам и форматам (например, RTCM) данные VRS передаются пользователю,
чем и достигается коррекция его местоположения.
Эта технология создания «сырых» базовых данных от новой, невидимой, несуществующей станции
называется «Виртуальная Базовая Станция» (Virtual Reference Station, VRS).
Использование рассмотренной технологии дает возможность применения улучшенного режима RTK в
пределах всей сети базовых станций. При этом среднее расстояние между реальными станциями сети
связано с их числом и размещением нелинейной зависимостью и может достигать семидесяти и более
километров.
Заключение
К особенностям практического применения рассмотренного выше решения можно отнести:
1. Возможность работы с приемниками основных мировых производителей: Trimble, Leica, Topcon, JNS,
Thales, Ashtech, Geotracer, Zeiss.
2. Передача «сырых» измерений с базовых станций сети в вычислительный центр с помощью
практически любой современной технологии и связной аппаратуры.
3. Покрывается весь диапазон точностей, необходимых конечным пользователям. DGPNet позволяет
достичь точности в несколько дециметров с одночастотным приемником. RTKNet обеспечивает
точность 1–4 см в плане на всей территории сети.
4. Простота масштабируемости сети. Минимальное количество пунктов, при котором начинает работать
VRS-технология, равно 3, а максимальное количество пунктов сети практически не ограничено. В
настоящее время в Японии работает сеть, состоящая более чем из 1500 приемников.
5. Универсальность решения:
− позволяет генерировать не только поправки в международно-признанном формате RTCM версий 2.1,
2.3, но и в новейшей версии 3.0. Недостатком формата RTCM разных версий, за исключением
последней версии, является его тяжеловесность и слабая защищенность от ошибок передачи по
каналам связи;
− предусмотрена возможность передачи поправок в «родных» для фирмы Trimble форматах СМR и
CMR+. Они очень компактны и не требовательны к скорости канала передачи поправок.
Спецификации этих форматов передачи поправок открыты для всех и поддержаны основными
производителями GPS-приемников. Они есть в приемниках фирмы Leica, Topcon, Javad Navigation
System и др.;
− поддерживает формат FKP фирмы GEO++ (59 пользовательское сообщение RTCM). Немецкая
фирма GEO++ одной из первых начала работы в области сетевого решения RTK и создала
технологию формирования и передачи площадных корректурных параметров (FKP). Передача
поправок осуществляется по принципу вещания, дуплексная связь между пользователем и
вычислительным центром не нужна. Первоначально технология являлась основной для немецкой
сети SAPOS и использовалась во всех Федеральных землях. К настоящему моменту восемь земель
используют технологию VRS и программное обеспечение Trimble;
− поправки могут формироваться и передаваться одновременно во всех доступных форматах.
6. В десятки и сотни раз сокращается время наблюдений для получения сантиметровой точности.
7. На всей территории, обслуживаемой сетью GNSS-станций, обеспечивается практически единая
точность в единой системе координат, что очень важно при выполнении кадастровых работ.
8. Точность получаемого результата становится малозависимой от квалификации исполнителя в поле.
Отпадает необходимость в постобработке результатов наблюдений.