Введение

На сегодняшний день стало очевидным, что традиционные геодезические сети, вместе с традиционными геодезическими инструментами и методами работы стали достоянием истории. Даже использование современных геодезических технологий, таких как GPS RTK, позволяющих делать вынос координат объектов в натуру в режиме реального времени, не может обеспечить геодезисту полной уверенности в правильности результатов работы, поскольку ему приходится каждый раз устанавливать базовую станцию на каком-либо из геодезических пунктов, координаты которых не всегда внушают доверие. Реализация современных проектов требует быстрого доступа к уже созданным пространственным данным и полной уверенности в их достоверности. Поэтому, наиболее прогрессивным решением для создания национальных или международных систем геодезического обеспечения стала масштабируемая инфраструктура референцных GPS станций, что уже реализуется в США, Канаде и других развитых странах Европы и Азии.
GPS инфраструктура состоит из сети постоянно действующих референцных станций (CORS). Она может снабжать данными дифференциальной коррекции в реальном времени всех пользователей GPS/GNSS приемников – геодезических, картографических, навигационных. Доступ к данным могут иметь государственные и муниципальные структуры, коммерческие фирмы и частные лица, осуществляющие свою деятельность на этой территории. Для выполнения работ в режиме реального времени пользователю не нужно иметь собственную базовую станцию; достаточно установить связь между роверным приемником и инфраструктурной сетью, развернутой в данной местности.
GPS инфраструктура может представлять собой как одиночную референцную станцию, так и обширную сеть VRS, покрывающую территорию области или даже целой страны. Создание GPS инфраструктуры дает следующие преимущества:

Масштабируемость решений по созданию инфраструктурных GPS/GNSS сетей заключается в том, что полностью фунциональное решение может быть создано даже на основе одиночной референцной станции, а затем, при возрастании требований и наличии дополнительных средств, расширено до масштабов региональной или даже общенациональной сети, состоящей из десятков или даже сотен референцных станций.

Основные этапы создания и развития инфраструктурных GPS/GNSS сетей

Компания Trimble Navigation (США), много лет занимавшаяся разработкой аппаратного и программного обеспечения и технологий для GPS/GNSS инфраструктур, и на сегодняшний день являющаяся лидером в этой отрасли, предлагает следующие решения:
Одиночная референцная станция.
Первым шагом на пути создания GPS инфраструктуры является установка одиночной референцной станции комплексного использования. Базовая станция, подключенная к персональному компьютеру с установленным программным обеспечением Trimble GPSBase, выполняет следующие функции:

• накапливает данные базовой станции для постобработки;
• передает поправки RTK, обеспечивающие сантиметровую точность определения координат в области радиусом до 30 км от базовой станции;
• передает поправки DGPS, обеспечивающие субметровую точность определения координат в области радиусом до 200 км от базовой станции.

Используя Интернет, пользователи могут легко получать доступ к данным.
Сеть референцных станций, управляемых из единого центра
Следующим этапом в развитии GPS инфраструктуры является создание сети из нескольких станций, работающих независимо друг от друга, но управляемых из единого центра. Такая структура сети дает возможность организациям, состоящим из территориально распределенных подразделений, работать в единой системе координат. Причем, для управления такой GPS инфраструктурой используется та же архитектура, что и для корпоративной компьютерной сети.
При таком уровне организации инфраструктуры, состоящей из нескольких станций, обеспечивается покрытие значительно более обширной территории, чем при использовании того же числа одиночных референцных станций. Вдобавок, для управления сетью, состоящей из неограниченного числа станций, требуется всего один администратор. Такая сеть способна обеспечить RTK-поправками или данными для постобработки огромное число частных фирм, научных организаций, муниципальных и государственных структур, расположенных в зоне ее действия.
Основным программным продуктом, работающим в едином центре, является программа Trimble GPSNet. С ее 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, DAT и OBS. Кроме того, программа передает дифференциальные поправки в формате RTCM для роверного приемника 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.
На этом уровне появляется возможность контроля динамики сети. Администратор может отслеживать изменения координат антенны одной референцной станции относительно других станций, контролировать динамику изменений координат пунктов сети при длительных периодах наблюдений и оценивать контроль качества сети.

Эти свойства инфраструктурных сетей могут быть использованы в условиях Украины для отслеживания деформации земной поверхности, особенно в районах интенсивных горных работ, для наблюдения за состоянием плотин, берегов рек и водохранилищ и т.п. Для таких специальных задач компания Trimble предлагает программное обеспечение Trimble Integrity Manager, позволяющее выполнять непрерывный круглосуточный мониторинг сети, улавливать малейшие смещения и мгновенно информировать диспетчера о внезапных изменениях состояния сети.

VRS сеть
Третьим этапом в развитии GPS-инфраструктуры является создание сети VRS (Виртуальной Референцной Станции), что позволяет охватить еще большую территорию, минимизировав при этом число станций. Сеть VRS может быть создана при наличии минимум трех станций, и расширяться практически до бесконечности, обеспечивая лучший контроль качества и еще большую точность данных на больших расстояниях. Оптимальное расстояние между станциями составляет 50-70 км, но допустимо удаление и до 150 км.

Для управления сетью VRS используется программное обеспечениеTrimble GPSNet с дополнительным модулем RTKNet, которое может одновременно обрабатывать данные всех станций, входящих в сеть и генерировать поправки для режимов DGPS и RTK в реальном времени.

Под масштабируемостью нужно понимать не только возможность изменения числа референцных станций в сети, но и возможность изменения конфигурации и архитектуры сети. Сеть VRS может управляться с одного сервера, установленного в центре управления, но возможна и распределенная архитектура, когда VRS сетью управляют несколько серверов, соединенных между собой.

Дополнительное преимущество, получаемое пользователем от референцной станции при работе в режиме реального времени, заключается в возможности повысить надежность и точность результатов за счет снижения ошибок, вызываемых ионосферными и тропосферными факторами (т.н. PPM ошибок). В сетях VRS программное обеспечение непрерывно моделирует потенциальные PPM ошибки и создает значения коррекции для них.

Пользователь в поле со своего роверного GPS приемника устанавливает связь с VRS сетью по каналу беспроводной (обычно сотовой телефонной) связи. Программное обеспечение распознает местоположение роверного приемника, моделирует для него Виртуальную Референцную Станцию, расположенную буквально в нескольких метрах от этого приемника, и передает для него поправки, как бы исходящие от этой виртуальной станции. В результате влияние PPM ошибок значительно снижается, что позволяет пользователю удаляться от ближайшей референцной станции на значительное расстояние (до 50 км), без потери точности.

Концепция Виртуальной Референцной Станции (VRS)

Концепция Виртуальной Референцной Станции (VRS) основана на наличии сети референцных GPS станций, постоянной соединенных через каналы передачи данных с центром управления. Компьютер центра управления постоянно собирает информацию со всех приемников, а затем создает постоянно обновляемую базу данных коррекции для выбранной территории.

Аппаратное обеспечение Trimble

Серверное программное обеспечение Trimble

Каждая референцная станция должна быть оснащена приемником, антенной и модемом, через который осуществляется связь с центром управления. Компьютер в центре управления, на котором инсталлировано серверное программное обеспечение, например Trimble’s GPSNet, является нервным центром концепции. Когда приёмники объединены в сеть, центр управления выполняет одновременно несколько задач:

• Импорт и контроль качества “сырых” данных
• Хранение данных в форматах RINEX и компактный RINEX
• Коррекцию фазового центра антенны (модели IGS)
• Моделирование и оценку систематических ошибок
• Генерирование данных для создания виртуальной позиции роверного приёмника
• Генерирование RTCM данных для виртуальной позиции
• Передачу RTCM потока передвижному приёмнику

Серверное программное обеспечение на основе анализа измерений по коду и по фазе несущих частот непрерывно вычисляют следующие параметры:

• Ошибки многолучевости
• Ионосферные ошибки
• Тропосферные ошибки
• Ошибки эфемерид
• Неоднозначности несущей частоты для L1 и L2

Выполняя эту задачу, программное обеспечение может использовать как данные со всех референцных станций, находящихся в сети, так и выборочно, с нескольких станций, находящихся на определенном участке сети.
Используя эти параметры, сервер перевычисляет все GPS данные и интерполирует по ним координаты роверного приёмника, который может находиться в любом месте в пределах сети базовых станций. Зная эти параметры, удаётся значительно уменьшить систематическую ошибку RTK позиционирования.
Программное обеспечение GPSNet состоит из трех основных модулей:

• Базовый модуль GPSNet позволяет выполнять сбор данных с референцных станций, обнаружение и коррекцию циклических ошибок, QA/QC анализ и сохранение сырых данных в формате RINEX. В нем также предусмотрен модуль генерирования RTCM сообщений для мобильных пользователей.
• DGPSNet – это расширение базового модуля, позволяющее редуцировать ошибки, вызываемые атмосферными и орбитальными факторами, а также ошибку «многолучевости». Оно предназначено для пользователей DGPS и включает в себя генерирование RTCM сообщений 1, 2, 3, 9, поддерживающих дифференциальное позиционирование по C/A коду на частоте L1. Точность этих решений колеблется от субметровой до 2-3 дециметровой, в зависимости от типа используемого мобильного GPS приемника.
• RTKNet это VRS решение от Trimble для пользователей RTK, и это расширение базового GPSNet модуля. RTKNet обеспечивает тот же самый формат, как и DGPSNet плюс RTCM сообщения 18, 19, 20, 21 и 22, 23, 24 и форматы CRM/CRM+.

 

Типичные инсталляции аппаратного обеспечения VRS

Центр управления должен быть обеспечен непрерывной связью с референцными станциями и получать сырые данные приемников с частотой обновления 1 Гц. Он также управляет приемниками.
Для передачи данных с референцных станций в центр управления могут использоваться различные методы:

• Могут использоваться непрерывные аналоговые или цифровые модемные линии. Этот метод требует модемов на сайте референцной станции и в центре управления. Модем в центре управления может быть подключен к последовательному порту ПК напрямую, через RS232, но если необходимо подключить несколько референцных станций, то можно использовать маршрутизатор типа CISCO. Маршрутизатор предназначен для передачи данных через сеть LAN в компьютер центра управления. Это расширяемое решение с учетом числа поддерживаемых линий, и оно позволяет использовать практически неограниченного число линий передачи данных. Компьютер, на котором работает программа GPSNet, принимает эти данные через IP протокол с маршрутизатора CISCO. Удаленные референцные станции идентифицируются по номерам TCP/IP портов.
• Может использоваться соединение на основе Frame Relay. Хотя этот метод не всегда осуществим с использованием телефонных сетей, он может быть лучшим методом передачи данных на большие расстояния. В этом случае на базовой станции необходимо использовать конвертер данных для протокола RS-232. Когда для передачи данных используется только Frame Relay, в центре управления можно поставить более простой маршрутизатор. При такой конфигурации каждая удаленная станция имеет свой собственный IP адрес, и маршрутизатор переводит данные из Frame Relay в LAN и наоборот.
• Данные также могут передаваться и через Интернет с использованием DSL или иного доступа. В этом случае протокол последовательного интерфейса должен быть преобразован в протокол TCP/IP. Он может быть получен на локальном компьтере или на Com.сервере.

В каждом из случаев данные могут поступать напрямую с приемника, либо через GPSBase - программное обеспечение для автономной референцной станции.



Типичная установка системы VRS

 

RTCM сообщения передаются на роверный GPS приёмник по сотовой GSM сети, или по другой службе мобильного телефонного сервиса.
Входящие звонки обрабатываются сервером сбора данных (dial access server). Это обеспечивает всем роверным приёмникам доступ в систему по одному телефонному номеру. Сервер сбора данных предоставляет IP соединение с ПО GPSNet и обеспечивает как подключение к системе, так и создание RTCM данных для роверного приёмника. Сервер может быть расширен с целью увеличения числа параллельных входящих звонков.

 

Реализованные проекты создания инфраструктурных GPS/GNSS сетей

Первыми и наиболее развитыми на сегодняшний день являются такие инфраструктурные GNSS сети как объединенная сеть США, в состав которой входят более тысячи референцных станций, сеть Японии, состоящая из более 600 станций, сети Германии и Швейцарии. Однако, в силу исторических обстоятельств, они напоминают лоскутное одеяло, сшитое из локальных сетей и одиночных станций, принадлежащих разным владельцам (частным, корпоративным, государственным), установленных в разное время, и использующих аппаратное и программное обеспечение разных производителей (Trimble, Leica, Topcon, Novatel и др.). В результате, при объединении этих сетей в единую национальную сеть, разработкам пришлось решать такие проблемы как использование единой координатной системы для всей инфраструктурной сети, совместимость форматов данных и протоколов связи, и другие. Тем не менее, наработанный опыт создания единой национальной или международной инфраструктурной сети, может быть использован для успешной реализации и избегания ошибок в тех странах, где эти проекты только начинают реализовываться.
В этом плане интересен опыт Турции, где была разработана государственная программа создания единой национальной сети постоянно действующих референцных станций под названием CORS-TR. Реализацию программы взял на себя Стамбульский Университет Культуры (Istanbul Culture University) в партнерстве с генеральным картографическим ведомством (General Command of Mapping) и генеральным ведомством землеустройства и кадастра (General Directorate of Land Registry and Cadastre). Сеть Турции будет состоять из 146 станций, использовать единую национальную систему координат Турции ED50, покрывать всю территорию страны и прибрежную часть акватории и управляться из единого центра, расположенного в Стамбуле. Более подробную информацию проекте CORS-TR можно увидеть на сайте http://cors-tr.iku.edu.tr
Но все же, наиболее актуальным для Украины является проект создания единой европейской инфраструктурной GPS-GNSS сети, получивший название EUPOS (European Position Determination System). Суть проекта заключается в том, что государства - участники проекта обязуются развивать сеть постоянно действующих референцных станций на своей территории, придерживаясь единых стандартов для проекта и обеспечивая свободный обмен данными с соседними государствами. В настоящее время в проекте принимают участие 14 государств, включая Украину. Координацию действий осуществляет Международный Координационный Комитет (International EUPOS Steering Committee), расположенный в Берлине, Германия.




 

Украинская сторона принимает участие в проекте EUPOS, используя пять референцных станций, расположенных в Ужгороде, Львове, Шацке, Дунаевцах и Киеве, и планирует до 2012 году ввести в действие еще 27 станций.
Более подробную информацию о проекте EUPOS можно увидеть на сайте www.eupos.org

Список использованной литературы:
“Scalable GPS infrastructure: the building blocks of tomorrow”, Nathan Pugh, Trimble;
“Virtual Reference Station Systems” Herbert Landau, Ulrich Vollath, Xiaoming Chen, Trimble Terrasat GmbH;
“Концепция сети постоянно действующих станций Virtual Reference Station (VRS) компании Trimble и технология ее поэтапного создания” А.Ю. Старостин, НПП “Навгеоком”, г. Москва
Материалы сайта http://cors-tr.iku.edu.tr
Материалы International EUPOS Steering Committee, Berlin, Germany