Эффективным средством топографо-геодезического производства зарекомендовала себя методология определения пространственных координат посредством спутниковых геодезических измерений,

проводимых в режиме реального времени. Точность измерений определяется типом применяемого оборудования и методикой проведения, варьируясь в интервале от нескольких метров (получение данных для ГИС-проектов) до сантиметров (для разбивочных работ и исполнительных съемок высокой точности).


Передача корректирующих данных в режиме реального времени (технология RTK) от базового приемника подвижному осуществляется посредством технологии DGPS ретрансляторами со спутников уточняющих дифференциальных подсистем (EGNOS, WAAS, MSAS и др.), либо радиомодемами с УКВ-диапазоном.

Распространение в геодезии технологии RTK обуславливается, в первую очередь, развитием средств мобильной связи с постоянным расширением территории покрытия. Такие средства обладают небольшими габаритами и весом, гибкими тарифами связи, не требуют специального разрешения на использование радиочастот, поддерживаются производителями геодезического спутникового оборудования.

Выход спутниковых геодезических измерений в режиме реального времени на новый уровень осуществляется благодаря развитию сетей действующих базовых станций и применению ряда сетевых решений по предоставлению разнообразных дифференциальных сервисов (VRS-сети, децентрализованные NTRIP серверы).

Преимущества технологии RTK 

Отсутствие сомнений в преимуществах технологии RTK обуславливается многолетним опытом подтверждения заявленных производителями качеств. Однако существуют вопросы относительно точности определения пространственных координат и ряда технологических моментов. Это вызывает многочисленные дискуссии и создает ложные предпосылки в выборе методики осуществления геодезических работ. Основными позициями касательно данного вопроса являются:
• влияние качества исходных координат пунктов государственных и ведомственных опорных геодезических сетей;
• существование многочисленных региональных (местных) плоских прямоугольных СК (систем координат) при том, что сведения о параметрах их задания отсутствуют;
• эффективность применения мультисистемных спутниковых приемников ГНСС (глобальных навигационных спутниковых систем) GPS и ГЛОНАСС;
• специфика работы в трудных условиях (покрытая густой растительностью или застроенная территория);
• строгое соблюдение при проведении измерений требований методических рекомендаций и нормативных документов. 

Ограничение применения технологии RTK   

Кроме преимуществ технологии RTK, использующие сотовые каналы связи обладают и специфическими недостатками и ограничениями, такими как:

1. Неравномерное покрытие или отсутствие сотовой связи на ряде обширных территорий.
2. Требование наличия специализированной услуги по пакетной передаче данных (при применении голосовых каналов связи) или доступа в Интернет (GPRS).  

Эти причины обуславливают зависимое положение проводимых работ от стабильности и качества услуг сотовой связи, особенностей настроек у местных операторов.

Отдельным параметром, оказывающим кардинальное влияние на точность спутниковых геодезических измерений, проводимых в режимах «статика» или «кинематика», оказывается удаленность от базовой станции подвижного приемника. Практический опыт активных пользователей геодезического GPS оборудования и проведенные многочисленные исследования показали, что при осуществлении измерений в режиме «кинематика» длина базовых линий не должна быть больше 15-20 км. Увеличение дальности приводит к заметному снижению точности и увеличению времени инициализации. Причем такой эффект наблюдается при отличных прочих условиях наблюдений: отсутствии препятствий для прохождения сигнала, достаточном количестве и благоприятном расположении на небосводе (геометрический фактор) спутников системы.

Схема расположения контрольных станцийЗначительное улучшение точности, надежности и оперативности измерений пространственных координат прогнозируется с появлением новых приемников ГНСС, которые смогут работать не только с GPS системой, но и с ГЛОНАСС, а в более отдаленной перспективе и с другими системами — COMPASS (Китай), Galileo (Евросоюз) и тому подобными. Ожидается, что при пополнении и финальном введении в строй системы ГЛОНАСС новые приемники ГНСС будут обладать возможностью одновременного отслеживания порядка 20 спутников различных систем, что обеспечит достаточную избыточность для проведения высокоточных оперативных наблюдений.

Проведение топографо-геодезических работ, как правило, предполагает развитие геодезических сетей проведением GPS (GPS/ГЛОНАСС) измерений в режиме «статика». При этом на объекте находятся пространственные координаты некоторых точек, а последующее сгущение съемочной планово-высотной сети проводится посредством использования электронного тахеометра. Такая технология предоставляет возможность проведения работ с высокой производительностью и точностью на расстоянии до 50-70 км для двухчастотного оборудования или 15-20 км для одночастотного. Наличие несложных условий наблюдения и управляющего устройства типа контроллера позволяет решить ряд задач в режиме «кинематика с постобработкой» (PPK).

Исследование возможностей применения технологии GSM RTK

Использование режима RTK предоставляет некоторые преимущества в сравнении со стандартной технологией, такие как высокая производительность и возможность непосредственного контроля получаемых данных в поле, что позволяет в ряде случаев избежать применения постобработки. Однако при использовании оборудования GPS в режиме RTK расстояние от базовой станции, как правило, имеет ограничение в 15-20 км.

Целью проведенного эксперимента, описываемого в статье, являлось изучение стабильности, точности, надежности и оперативности спутниковых измерений, проводимых с передачей корректирующих данных по технологии GSM RTK (с помощью GSM модемов) от базовой станции, а также оценка возможности проведения работ посредством оборудования ГНСС при значительных длинах базовых линий. В исследовании применялся GSM модем EFT от компании «Эффективные технологии» и спутниковые приемники Trimble. Стоит подчеркнуть, что мобильная связь предоставляет потенциальную возможность проведения работ на существенном расстоянии от действующей постоянно базовой станции, однако физические и геометрические условия спутниковых наблюдений не способствуют получению высокой точности и обеспечению оперативности измерений.

Оборудование и условия проведения 

Исследования проводились на трех участках, на которых находились пять контрольных станций (КС) измерения, расположенных по отношению к базовому приемнику на расстояниях:
• 15 и 20 км (КС 2 и 3) — приемлемое удаление для проведения высокоточных измерений в режиме RTK;
• 50 и 60 км (КС 4 и 5) — «рискованная» дальность расположения от базовой станции подвижного приемника;
• порядка 100 км (КС 6) — заведомо неподходящее удаление от базовой станции для проведения измерений в режиме «кинематика», в целом, и конкретно для RTK.  

тахеометр Nikonтзк332, установленный на базеБазовая станция (А), размещенная в Московском районе Останкино, осуществляла работу в режиме RTK, проводя запись «сырых» данных. В качестве мест для КС подбирались места, расположенные вдали от объектов, с возможным созданием помех и максимально открытым небосводом. Станции измерений находились в юго-восточном направлении: в районе Текстильщики-Выхино – первые две, остальные — вдоль Новорязанского шоссе. Кроме КС (данные внесены в сводную таблицу), использовались и вспомогательные станции, на которых проводилась оценка времени инициализации.

Результатом исследования явилось определение точности измерения пространственных координат стендовых контрольных точек. В качестве стенда использовался прямоугольный столик с одним отверстием в центре и четырьмя угловыми отверстиями для обеспечения принудительного центрирования спутниковых антенн и отражателя. Контрольной точкой являлся геометрический центр каждого отверстия.

Координаты контрольных точек определялись в локальной СК, а затем при постобработке проводилась их редукция на поверхность относимости стенда (плоскость, совпадающую с плоскостью стенда). Минимизация ошибок, связанных с учетом высоты отражателя и антенны, осуществлялась благодаря установочным приспособлениям для принудительного центрирования, обеспечивающим постоянство элементов редукции на поверхность относимости.

В комплект оборудования для исследований входили: 
• тахеометр Nikon NPR332 с отражателем (типа минипризма);
• приемник Trimble R7GNSS — подвижный комплект;
• приемник Trimble R8GNSS — подвижный комплект, оснащенный GSM модемом;
• приемник Trimble R7GNSS с GSM модемом EFT, устанавливаемый на базовой станции;
• контроллер Trimble TSC2;                                                                                                                                                                                                                       • комплект установочных приспособлений, предназначенный для принудительного центрирования отражателя и антенны спутникового приемника;
• прямоугольный столик (стенд) с контрольными точками.

Организация работ на каждой станции при проведении исследования осуществлялась следующим образом:
• Проводилась разбивка базиса, длина которого составляла порядка 50 м. Базис располагался перпендикулярно направлению «базовый приемник - контрольная станция». В одной точке базиса размещались электронный тахеометр и приемник ГНСС, на противоположной (контрольной станции) — закрепленный на штативе прямоугольный столик.
• Измерения на точках базиса проводились в режиме «статика» посредством приемников ГНСС в течение одного часа. При этом антенна приемника Trimble R7GNSS устанавливалась на штативе, а приемника Trimble R8GNSS — также на штативе, но в центре столика.
• Измерение расстояний до контрольных точек стенда и длины базиса проводилось электронным тахеометром по отражателю.
• Осуществлялись последовательные измерения на контрольных точках стенда пространственных координат посредством приемника ГНСС (Trimble R8GNSS), проводимые в режиме GSM RTK. При этом время измерений на каждой из точек не превышало одной минуты. На каждой точке проводилось по одному измерению.

Результаты

В результате пространственные координаты контрольных точек, рассчитанные по данным спутниковых наблюдений в режиме «статика» и определенные электронным тахеометром, были приняты за «эталонные» и применялись для оценивания точности спутниковых измерений пространственных координатных точек, проводимых в режиме GSM RTK. Оценке подвергались как абсолютные значения координат точек, полученных разными способами, так и относительные значения по диагоналям точек стенда. Длины диагоналей контрольных точек определялись мерной рулеткой и принимались за «эталонные».

По результатам замеров координат точек в режиме GSM RTK и «эталонным» значениям вычислялись средние величины отклонения абсолютных значений координат по высоте и в плане на каждой станции.

Такие результаты демонстрируют, что отклонения абсолютных координат почти не зависят от удаленности базового приемника.

Сравнением длин диагоналей на разных станциях была получена оценка различными методами относительной точности измерения пространственных координат.

Проведенное одновременное наблюдение порядка 12-15 спутников ГЛОНАСС и GPS, наличие стабильности GSM-связи на протяжении всех этапов измерений и благоприятные условия дали возможность определить среднюю квадратическую погрешность нахождения абсолютных пространственных координат посредством приемников ГНСС в режиме GSM RTK на различном удалении от базового приемника (погрешность в пределах 1 - 3 см), при сохранении времени инициализации, не превышающего одной минуты. Аналогичный результат достигался и на других удалениях от базовой станции (в 20 км, в 50-60 км и даже на 100 км).

Выводы

Таким образом, при относительно несложных условиях наблюдений и хорошем покрытии района мобильной связью пользователи, используя технологию GSM RTK, имеют возможность многократного повышения производительности топографо-геодезических работ. При этом предприятиям, которые используют в работе оборудование Trimble, для перехода к измерениям в режиме реального времени (RTK) от технологий с постобработкой («статика» или «кинематика») достаточно дополнительно приобрести только комплект внешних GSM-модемов.

Понятно, что рано делать окончательные выводы, исходя только из представленного объема исследований, но полученные результаты тестовых измерений определенно указывают на широчайшие перспективные возможности применения технологии GSM RTK при проведении измерений с помощью оборудования ГНСС в различных направлениях геодезического обеспечения. Также данные результаты могут внести значительные коррективы в разработку стратегии построения сетей действующих базовых станций.