Г. Д. Сыздыкова
Создание сети референцных станций в Казахстане
(Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г.Астана, Казахстан)
Наиболее прогрессивной технологией геодезического обеспечения на больших территориях является сеть референцных станций. Для Казахстана построения сети референцных станций является новой технологией, базирующейся на применении спутниковых средств, с целью повышения точности и экономической эффективности решения задач геодезического Обеспечения.
Инновационные процессы в сфере геопрастранственной информации в мире получили существенной импульс в развитии в связи с освоением наземной космической навигационной системы представляющей сеть референцных станций. В настоящее время требования со стороны потребителей к точности и оперативности получения наземных измерений значительно возросли. Эти требования основываются на расширении круга задач, которые представилось возможным решать в нынешних условиях использования спутниковых технологий, средств передачи данных и современных программных средств.
Наиболее прогрессивной технологией геодезического обеспечения на больших территориях является сеть референцных станций. Для Казахстана построения сети референцных станций является новой технологией, базирующейся на применении спутниковых средств, с целью повышения точности и экономической эффективности решения задач геодезического обеспечения. Сеть РС является наиболее эффективной, чем традиционные сети триангуляционных и полигонометрических пунктов. Базовые станции могут быть установлены в любом месте, где необходимо, 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, точность выше и более стабильна. Сеть, состоящая из большего числа постоянно действующих базовых станций, будет обеспечивать единую временную геодезическую основу точных и высокоточных глобальных навигационных систем, определение координат отдельных пунктов в заданной системе координат на всей территории Казахстана [1].
Референцная станция представляет собой спутниковый премник, антенна которого жеско закреплена на здании или железобетонном пилоне. При этом,приемник измеряет пространственные координаты центра антенны в непрерывном режиме. Несколько одновременно работающих базовых станций, непрерывно определяющих свое пространственное положение относительно друг друга, образуют сеть референцных станций. Сеть референцных станций является наилучшим хранителем координатной основы,которой являются центры спутниковых антенн,поскольку имеется возможность непрерывно проверять неизменность их взаимного пространственного положения. Это позволит организациям, использущим спутниковое оборудование, оценить технологию работ с помощью постоянно действующих базовых станций,интегрировать ее в производство, повысив,т ем самым,эффективность и качество проводимых полевых геодезических работ.
В Республике Казахстан до этого времени были установлены одиночные базовые GPS.
На данный момент РГКП «Казгеодезия» установила 5 РС и создала сеть межу этими станциями. Сеть предназначена для определения координат с помощью GPS г. Астане и пригородной территории Акмолинской области находящийся в 70-100 км друг от друга.
Составной частью сети референцных станций является вычислительный центр находящийся в г. Астане и предназначен для управлению СРС, сбора и архивации, данных сети и выдачи пользовательскому сектору координатно-временной информации, как для режима постобработки, так и для работы в реальном времени.
В комплекс решённых задач вошли такие виды работ как:
• развертывание системы высокоточной спутниковой навигации для обеспечения проектно- изыскательских, геодезических и кадастровых работ;
• создание сети референцных станций (СРС) системы ГЛОНАСС/GPS на территории;
• привязка референцных станций к пунктам Государственной геодезической сети (ГГС).
Работы выполнялись в три этапа. Так, необходимо было провести разработку технического проекта на выполнение работ по созданию СРС, приобрести необходимое оборудование, создать и оборудовать вычислительный центр, осуществить привязку к пунктам ГГС сети и произвести запуск системы. Закладка пунктов сети референцных станций выполнялась по типу долговременного закрепления с принудительным центрированием спутниковой геодезической антенны. Установка РС производилась в строгом соответствии с техническим проектом в населённых пунктах, имеющих необходимую инфраструктуру для установки референцных станций.
Сооружения для установки станций являются капитальными, обеспечивающими долговременную сохранность пунктов (защищенность от разрушений в результате хозяйственной деятельности и природных явлений), обеспечены автономной работой и защищены от несанкционированного доступа посторонних к спутниковой геодезической аппаратуре, обеспечены надежными каналами передачи данных [2].
В рамках данного проекта и в соответствии с техническим заданием специалистами был создан вычислительный центр по управлению референцными станциями. Вычислительный центр позволяет осуществлять настройку и управление СРС в одном месте, где происходит сбор, математическая обработка, архивирование информации, поступающей с СРС, а также контроль работы РС. Вычислительный центр также производит обслуживание пользователей СРС в режиме реального времени и «пост-обработки». Вычислительный центр представляет собой аппаратно-программный комплекс, который требует квалифицированного обслуживания на каждом аппаратном и программном уровне. Соединение референцных станций с Вычислительным центром осуществляется через каналы связи Интернет, кабельные телефонные или GSM.
Наиболее перспективным решением при построении сетей референцных станций является создание полнофункциональной сети, способной выполнять как геодезические задачи, так и предоставлять возможность высокоточного позиционирования при реализации проектов, требующих поправок различной точности. Однако, если для топографических и геодезических работ достаточно только поправок в режиме постобработки, то для управления машинами и механизмами в дорожном строительстве, точном земледелии или при мониторинге опасных объектов в режиме RTK необходима постоянная надежная передача навигационных поправок.
Незначительные перебои в связи или в работе станций, даже в течение нескольких минут, могут свести на нет преимущества, получаемые в результате применения высокоточного позиционирования. Высокие требования предъявляются не только к оборудованию, но и к программному обеспечению и каналам связи. Одним из наиболее важных параметров функционирования сети референцных станций является надежность хранения и передачи полученных данных [4].
Установка СРС значительно облегчила полевые геодезические работы, поскольку отпадает необходимость использования временных полевых базовых приемников. Программное обеспечение Leica GNSS Spider дает возможность создавать систему, предоставляющую полный набор услуг в области RTK позиционирования в сетях GNSS станций. Геодезисты и топографы, изыскатели и строители получают возможность выполнять измерения и съемки с высокой и стабильной точностью на больших площадях, участвующих в определении координат объектов, должно определяться со средними квадратическими ошибками на уровне 1 см и менее.
Пользователь, выполнив наблюдения с GPS приемником, может получить по запросу ВЦ спутниковую информацию одной или нескольких РС и использовать ее для самостоятельной обработки данных, либо передать свою измерительную информацию в ВЦ для проведения измерительную информацию в ВЦ для проведения постобработки.
Данные референцных станций позволяют предоставлять пользователям услуги по определению координат объектов в режимах реального времени и постобработки:
• В режиме реального времени пользователь по каналу GSM получает дифференциальные поправки к измерениям.
• В режиме постобработки пользователю по сети Интернет предоставляется измерительная информация, с использованием которой он может вычислить координаты объекта.
• Проведение централизованной постобработки по заказам пользователей непосредственно в вычислительный центр позволяет организовать обработку с использованием измерительной информации референцной станции и сложных технологий обработки, обеспечивающих наивысший уровень точности.
В любом режиме пользователь может работать с единственным приемником, не тратя сил и времени на оборудование и обслуживание базовой станции [4]. Для мониторинга созданной координатной основы Спутниковой системы с учётом её специфики разработана следующая схема.
Определение координат начального пункта (референцной станции) или 6 центральных референцных станций в системе ITRF2000. Смещение начального пункта или общее смещение сети из 5 станций относительно предыдущего положения не должно превышать 1 см.
Смещение начального пункта или сети из 5 центральных станций приведёт к смещению всей сети референцных станций и, как следствие, к изменению на эту же величину параметров перехода от системы ITRF2000 к государственной и местным системам координат, что в свою очередь приведёт к изменению координат объектов. При установленной точности координат поворотных точек границ земельных участков на уровне средних квадратических ошибок 3 см смещение начального пункта или общее смещение всей сети по любой из координат на величину 1 см является допустимым. При расхождениях больше 1 см требуется выяснение причин и принятие решения о целесообразности переопределения координат референцных станций [5].
Определение взаимного положения всех референцных станций в едином решении с принятием в качестве исходных начального пункта или 5 центральных станций. При расхождениях полученных координат с ранее определёнными более 2-3 см также требуется выяснение причин и принятие решения о целесообразности изменения координат станций.
Основным критерием здесь также является величина смещения всей сети референцных станций относительно предыдущего положения. Оно не должно превышать 1 см по каждой координате.
Отклонение координат конкретной станции на 2-3 см от предыдущего положения является допустимым, поскольку определение координат объектов по технологии Спутниковой системы осуществляется не менее чем от 3-х референцных станций, что ослабляет воздействие на результат ошибок координат одной станции. При вводе в строй новых референцных станций или уточнении координат отдельных станций их положение определяется, принимая в качестве исходных начальный пункт или несколько соседних станций. Положение всей сети станций с уточненными координатами отдельных станций также проверяется на общее смещение cети, которое не должно превышать 1 см. В противном случае требуется изучение явления и принятие решения о дальнейших шагах.
Мониторинг локальной сети референцных станций, предназначенной для мониторинга смещений объектов, осуществляется с использованием математического аппарата в виде временных рядов Фурье. В районе расположения объекта мониторинга выбираются не менее трёх опорных референцных станций так, чтобы объект находился внутри или на границе фигуры, образованной выбранными станциями. Наличие трех референцных станций необходимо для точного определения координат объекта мониторинга, контроля точности, который заключается в сравнении координат объекта, вычисленных от трёх и более референцных станций, контроля измерительной информации референцных станций, контроля стабильности положения их точек относимости. Интервал измерений, на котором определяется собственное движение референцных станций, равен одному году, что позволяет выявить сезонные изменения координат. Аппроксимация движений референцных станций по каждой из координат осуществляется с помощью рядов Фурье 4-го порядка.
Для перехода от геоцентрической системы координат ITRF2000 к местным плоским системам координат необходимо точно определять параметры перехода. При определении только плановых координат для вычисления параметров перехода необходимо иметь не менее двух пунктов с известными координатами в обеих системах координат. Оптимальным вариантом является наличие четырёх и более пунктов, равномерно рассредоточенных в зоне, для которой вычисляются параметры перехода, при этом определяемый объект должен находиться внутри геометрической фигуры, образованной этими пунктами. При перемещении объекта из центра фигуры к её границам ошибки пересчёта возрастают в 2 раза, за границами фигуры более, чем в 2 раза. В зависимости от решаемых задач пользователи спутниковых приемников применяют либо автономное, либо относительное определение пространственных координат. В первом случае предельная точность определения координат точек составляет 5- 15м, а во втором - пространственное положение одной точки земной поверхности относительно другой может вычисляться с точностью до нескольких миллиметров [6].
В практике геодезических измерений, в подавляющем большинстве случаев, используется относительное определение пространственных координат. Данная технология подразумевает применение двух спутниковых приемников.Один из них выполняет роль базовой станции и устанавливается в месте, удобном для спутниковых наблюдений,а другой-является подвижным и последовательно перемещается по точкам,кординаты которых требуется определить.
Предельные расстояния между подвижным приемником и базовой станцией зависят от требуемой точности определения координат неизвестной точки,методики наблюдений,класса точности оборудования,внешних условий наблюдений. Если работы проводятся в режиме статических измерений,при благоприятных условиях подвижный приемник может находиться от базовой станции на расстоянии до 100 км и более. При работе в режиме RTK (кинематика в режиме реального времени) и при наличии специализированного программного обеспечения на базовой станции обеспечивается передача дифференциальных поправок по GSM или GPRS- каналам связи с базовой станции на подвижный приемник,находящийся на расстоянии до 50 км от нее. Это расстояние может быть увеличено до 100 км и более при использовании в качестве подвижного приемник ГНСС класса ГИС.
В мировой практике имеются примеры создания государственных ,ведомственных и частных сетей базовых станций. Наряду с ними существуют сети,сформированные в результате сотрудничества различных научно-исследовательских организаций для решения образовательных,научных и прикладных задач. Такой глобальной сетью постоянно действующих базовых станций является сеть IGS Международной службы ГНСС. В настоящий момент она состоит из 362 станций,прнадлежащих,по большей части,научно- исследовательским учреждениям. Измерения на станциях этой сети используются для определения общей земной системы отсчета, мониторинга движения литосферных плит, изучения вращения Земли и многих других задач. Помимо передачи в открытый доступ данных об измерениях на базовых станциях сети и их координат на определенную эпоху,служба IGS публикует информацию о точных эфемеридах спутников GPS и ГЛОНАСС, определенных по результатам обработки измерений станций сети,движении полюсов и т.д. [7].
Существует также европейская сеть постоянно действующих станций EPN(EUREF Perma- nent Network),статус которой приравнен к статусу сети IGS. Однако измерения.выполняемые на 200 постоянно действующих станциях этой сети на территории Европы, напрвлены на реализацию и уточнение Европейской референцной системы координат,предназначенной для решения научных и производственных задач на территории Европейского Союза.
Государственная координатная основа США закреплена сетью постоянно действующих базовых станций CORS (Contitiously Operating Referense Stations). Сеть включает порядка 1274 станций.обслуживаемых Национальной геодезической службой США (NGS),и около 200 станций,поддерживаемых другими государственными и негосударственными организациями.
Данные измерений на постоянно действующих станциях сети CORS доступны в сети Интернет.Для каждой станции публикуются координаты в общей системе отсчета ITRF и в
референцной системе отсчета,принятой в США NAD-83.
В Японии из 130 тыс.геодезических пунктов, реализующих государственную систему отсчета,более тысячи являются постоянно действующими базовыми станциями.В Росии принята новая система построения государственной сети,согласно которой часть пунктов ФАГС (Фундаментально астрономо-геодезической сети)являются постоянно дйствующими базовыми станциями.В настоящее время государственная гедезическая сеть находится в стадии построения.
В Российской Федерации активно создаются и эксплуатируются как отдельные постоянно действующие базовых станций,так и сети таких станций. Имеются постоянно действующие базовые станции,включенные в международную сеть IGS, доступ к данным которых открыт.
Существуют ведомственные и корпоративные,региональные и локальные сети постоянно действующих базовых станций,создаваемые для геодезического обеспечения специальных проектов. Эти сети, как правило, являются закрытыми для широкого доступа [8].
Сеть базовых станций позволит реализовать единую систему точного позиционирования в зоне покрытия сети; значительно увеличить производительность выполнения кадастровых работ; сократить проектные расходы, а значит - позволит реализовать социальную составляющую земельной политики Правительства Республики Казахстан в части снижения расходов граждан при формировании прав на свои земельные участки.
Как правило, совмещение результатов геодезических работ одного или нескольких проектов, выполненных с использованием отличающихся государственных или местных систем координат, различными исполнителями или от разных исходных пунктов, является крайне непростой, а иногда и невыполнимой задачей. Основным преимуществом сети референцных станций является обеспечение равноточности и согласованности результатов геодезических измерений в требуемой системе координат на всей обслуживаемой территории.
После реализации проекта спутниковой инфраструктуры большинство работ, связанных с позиционированием, можно выполнять в режиме реального времени. Это означает, что за несколько секунд каждый потребитель данных системы непосредственно на месте выполнения работ может определить координаты объекта с необходимой ему точностью [9].
Создание сети референцных станций в Казахстане является своевременной задачей и требует дальнейшего расширения вплоть до охвата всей территории страны. В перспективе планируется объединение в единую сеть одиночных базовых станций, находящихся в областных центрах Казахстана. Это послужит созданию единой геодезической основы.
Для правового обеспечения проекта разрарабатываются нормативные правовые акты, которые будут координировать деятельность всех субъектов в этой области и регламентировать нормативно- правовые отношения в сфере разработки, внедрения и использования спутниковых навигационных систем и технологий в Республики Казахстан.
Реализация проекта повысит инвестициоонную привлекательность экономики Республики Казахстан, расширит международное острудничество, а также позволит подготовить специалистов в области спутниковой навигации и повысит научно- технический потенциал в этой области.
Преимущества создания и функционирования референцных станций.
Создание и функционирование референцных станций позволяет:
1. Более активно использовать за счет совершенствования доступа к данным существующую геодезическую сеть различными ведомствами взамен вынужденного создания ими своих сетей в условных системах координат;
2. Повысить качество выполняемых работ за счет использования высокоточных исходных данных, накапливаемых на постоянно действующих пунктах;
3. Упростить организацию и технологию работ по развитию съемочного обоснования при выполнении землеустроительных, топографических и других работ за счет появляющейся
возможности передачи координат от референцных станций (РС) на любые расстояния с оперативностью, недоступной для традиционных технологий;
4. Повысить экономическую эффективность работ по развитию геодезического и съемочного обоснования за счет сокращения переездов между пунктами, резким понижением требований к плотности исходной геодезической основы и необязательностью использования всех существующих пунктов, их раскопок и т.п., а также нецелесообразностью использования некоторых из них, особенно находящихся в лесу или в других труднодоступных местах;
5. Cоздать условия значительного маневра в выборе схем развития геодезического обоснования вследствие снижения требований к наличию связей и оптических видимостей между пунктами, создания удобства подъезда к создаваемым пунктам;
6. Обеспечить за счет доступа к данным РС возможность использования потребителем только одного приемника вместо двух-трех приемников, которые он вынужден приобретать с целью установки их на пунктах с известными координатами для проведения полноценных геодезических работ, что приводит к значительным дополнительным затратам;
7. Внедрять технологии создания сетей долговременных опорных навигационно- геодезических станций, например, вдоль железных дорог для использования их различными службами, а не устанавливать оборудование каждый раз по мере необходимости. При увеличении грузооборота, усложнении обстановки на дорогах, развитии системы страхования, необходимости повышения уровня безопасности вопрос эффективного управления и контроля транспортными средствами на разветвленных маршрутах или дальних расстояниях становится очень актуальным. Особого внимания требует транспортировка специфических грузов (токсичные и радиоактивные отходы, взрывчатые и отравляющие вещества, негабаритные грузы, деньги и драгоценные металлы, оружие и др.). Кроме задач глобальной навигации международных (или междугородных) перевозок, существуют не менее важные задачи локальной навигации:
постоянное автоматическое определение местоположения, направления и скорости движения объектов, контроль за движением транспортных средств службы инкассации, милиции, ГАИ, такси, аварийных служб, грузов, сигнализация угона и отслеживание пути угнанного автомобиля [10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Создание наземной инфраструктуры системы высокоточной спутниковой навигации Республики Казахстан. Техническое задание. - Астана, 2008. 19 с.
2.Радио модем. SATEL-TA4. №77829 // EN 60950-1. - 2007.
3.Технический стандарт EUPOS (Technical Standards EUPOS Revised 2nd Edition)// Office of the International EUPOS. 2008. - 15 p.
4.СКНОУ. http://www.khrs.kharkov.ukrtel.net/ [электронный ресурс]
5. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга: концепция и итоги первого этапа построения. http://rniikp.ru/ [электронный ресурс]
6. Германская система позиционирования SAPOS. http://www.stadtentwicklung.berlin.de/
[электронный ресурс]
7. Приемники ГНСС. Обзор продуктов. http://www.gim-international.com/ [электронный ресурс]
8. Стандарт рекомендованный специальным комитетом № 104 Радиотехнической комиссии по морским службам для функционирования дифференциальной ГНСС, версий 2.2, 2.3, 3.1
(RTCM Recommended Standards for Differential GNSS Service. Versions 2.2, 2.3, 3.1.), RTСM Paper 11-98/SC104-STD, January 15.-1998, 126 р.
9. Бойков А.В. О координатном обеспечении референцных станций Спутниковой системы межевания земель //Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка.-2007.-№1.
10. Бойков А.В., Булаева Е.А., Монахова М.А. Возможности Спутниковой системы по высокоточному определению координат объектов //Геодезия и картография.-2006.-№8.-C.5-10
Сыздыкова Г. Д.
Референцiлiк станциялар жүйесiн құру
Үлкен аумақтарда геодезиялық қамтасыз етудiң ең прогресшiл технологиясы референцiлiк станциялар жүйесi саналады. қазақстан үшiн геодезиялық қамтамасыз етудiң дәлдiгiн жоғарылату және экономикалық нәтижелiлiк жағынан шешу мақсатында спутниктiк кұралдарын қолдануға негiзделетiн референцтiк станциялардың жүйесiн салуы болып табылады
Syzdykova G. D.
Creation of reference stations system in Kazakhstan
The most advanced technology geodetic support in large parts is a network of reference stations. As for Kazakhstan creation network of reference stations is a new technology based on usage of satellite means. The purpose is increase of exactness and economic effectiveness for solution of geodetic maintenance aims.
Поступила в редакцию 11.01.12 Рекомендована к печати 30.01.12
