Глобальные спутниковые системы для задач землеустройства, кадастра и мониторинга
Интенсивное развитие спутниковых технологий и аппаратуры, работающей по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и их дифференциальных дополнений, определило новые подходы к решению полного спектра задач координатно-временного обеспечения геодезии, картографии, землеустройства, кадастра, мониторинга земель и недвижимости, а также формирования баз пространственных данных различной направленности и масштабов [1].
В качестве основного средства решения навигационных, картографо-геодезических и кадастровых задач на территории Российской Федерации утверждена национальная среднеорбитальная система ГЛОНАСС (Указ Президента Российской Федерации "Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации" от 17 мая 2007 г. N 638, постановление Правительства РФ N 641 от 25 августа 2008 г.). Федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система" (ФЦП ГЛОНАСС), включающая в себя широкий спектр приоритетных подпрограмм использования сигналов системы ГЛОНАСС в различных отраслях экономики Российской Федерации, служит основой и для реализации программы комплексного инновационного развития картографо-геодезической отрасли Российской Федерации и национальной инфраструктуры пространственных данных на основе интеграции науки, образования и производства.
Можно выделить три основные сегмента применения ГНСС (рис. 1): космический; спутниковой аппаратуры и технологий различных классов и типов; практического применения ГНСС.
"Рис. 1. Основные сегменты применения глобальных навигационных систем"
Космический сегмент ГНСС
В настоящее время в операционных режимах находятся две среднеорбитальные спутниковые системы: ГЛОНАСС (Россия) и GPS (CША). Системы непрерывно совершенствуются, модернизируются состав бортовой аппаратуры и частотный диапазон, восполняются орбитальные группировки. Система GALILEO, разрабатываемая Европейским Союзом в соответствии с одноименным проектом, находится в стадии предварительного согласования частотного диапазона и орбитального тестирования первых двух спутников из группировки в 30 спутников. Два последующих пуска спутников предполагаются в 2011 г. Программа Китайской Народной Республики BEIDOW (KOMPAS) находится в стадии развертывания с 2000 г. и будет состоять из 25 КА в космическом сегменте. В состав системы будут входить четыре геостационарных спутника, 12 КА на наклонных геосинхронных орбитах и девять КА на круговых орбитах со средним радиусом 22 000 км. Китай планирует завершить создание собственной глобальной навигационной системы из 30 спутников к 2015 г. Следует заметить, что поскольку и GALILEO, и BEIDOW находятся в начальных стадиях развертывания и тестовых режимах, основными системами гарантированного доступа аппаратуры потребителей в настоящее время являются ГЛОНАСС и GPS.
В последнее время наряду с глобальными спутниковыми системами стали развиваться региональные спутниковые системы, охватывающие навигационным полем некоторые локальные регионы Земли [9]. Примером таких систем являются японская квазизенитная система QZSS и индийская IRNSS [12-14].
Японская региональная спутниковая система QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) предназначена для мобильных устройств, связи (в том числе передачи аудио- и видеоданных) и позиционирования. Космический сегмент системы состоит из трех спутников, расположенных на эллиптических орбитах (HEO) над Азией, позволяющих КА находиться более 12 ч. в сутки на высоте более 70. Частоты системы QZSS будут совместимы с GPS (L1-1575,42 МГц; L2-1227,60 МГц; L5-1176,45 МГц). Экспериментальный сигнал, передаваемый на частоте 1278,75 МГц, совместим с сигналом E6 GALILEO. В перспективе рассматривается вопрос совместимости и с китайской навигационной системой BEIDOW.
Индийская региональная система IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) будет обеспечивать непрерывную навигацию на территории Индии и сопредельных государств. Спутниковая группировка индийской системы согласно проекту должна состоять из семи космических аппаратов. Из них три будут находиться на геостационарных орбитах, четыре - на геосинхронных, расположенных под углом 29.
Особое место занимают широкозонные дифференциальные системы (DGPS) [15, 16], базирующиеся на геостационарных спутниках. В настоящее время функционируют WAAS (США), EGNOS (Европейский Союз), MSAS (Япония), GAGAN (Индия). Пакистан представил недавно проект SBAS (Satellite Based Augmentation System) национальной широкозонной системы (рис. 2).
Рис. 2. Зоны действия и обслуживания систем SBAS
Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) разрабатывается в головной корпорации ОАО "Российские ракетно-космические и информационные системы" в соответствии с контрактом, подписанным с Федеральным космическим агентством России (Роскосмос) в рамках Федеральной целевой программы "Глобальная навигационная система". СДКМ обеспечивают точность местоопределе-ния со средней квадратической погрешностью 0,5...1,0 м, а глобальными DGPS типа OmniSTAR может быть достигнута точность порядка 0,1 м в плане и 0,2 м по высоте. Такая точность обеспечивает широкий спектр геодезических, картографических и землеустроительных работ: обновления карт и инвентаризация объектов, вынос в натуру скважин, проектов прокладки трубопроводов, линий электропередачи и др. Широкозонные системы DGPS типа SBAS распределяются по регионам следующим образом: СДКМ - Российская Федерация; WAAS - Северная Америка; EGNOS - Европа; MSAS - Юго-Восточная Азия; GAGAN - Индия.
Региональные DGPS обеспечивают сантиметровую точность в режиме RTK и субсантиметровую точность в режиме постобработки. В региональных DGPS референцная станция размещается в центре локальной зоны, размер которой может достигать 100 км и более. Дифференциальные поправки формируются на основе коррекции координат и коррекции навигационных парамет ров, из которых большее применение получил второй метод - метод формирования поправок к измерениям дальностей для каждого наблюдаемого спутника.
Для передачи поправок, сформированных по методу коррекции навигационных параметров, разработан специальный стандарт RTCM SC-104 и его последующие модификации.
СДКМ разработана как стратегическое направление развития применения спутниковой системы ГЛОНАСС для широкого круга потребителей, включая координатное обеспечение широкого спектра задач геодезии, картографии, землеустройства, кадастра, мониторинга земель и недвижимости и др.
СДКМ позволит обеспечить потребителям:
- навигационные определения с метровой и сантиметровой точностью в режиме реального времени;
- мониторинг целостности ГНСС ГЛОНАСС и GPS в реальном времени;
- контроль характеристик навигационного поля ГНСС GPS на территории РФ;
- независимый глобальный мониторинг характеристик ГНСС ГЛОНАСС;
- предоставление информации по ГНСС ГЛОНАСС для потребителей в РФ и в мире.
СДКМ расширяет возможности существующих локальных дифференциальных подсистем и обеспечивает широкую зону покрытия распределенной сети собственных и зарубежных станций, принадлежащих различным международным службам. СДКМ - функциональное дополнение к ГНСС ГЛОНАСС и GPS с возможностью перспективного расширения и на европейскую систему GALILEO. Зоной обслуживания СДКМ является территория Российской Федерации.
Задачей мониторинга является выработка оперативной информации о целостности, включающей оценку в режиме реального времени ошибок измерения псевдодальностей по НКА ГЛОНАСС и GPS, предоставление информации потребителям о величинах ошибок измерений псевдодальностей.
Аппаратура и технологии
Широкое внедрение спутниковой аппаратуры различных классов и типов, как GPS, ГЛОНАСС, так и ГЛОНАСС/GPS при проведении топографо-геодезических, кадастровых, инвентаризационных работ, а также режимы съемки различной направленности предопределили направления исследований в области оптимизации выбора как спутниковых приемников, так и технологий их применения. Практически все геодезические, землеустроительные, изыскательские организации (как государственные, так и частные) перешли на использование спутниковой аппаратуры и технологий в сочетании с электронной тахеометрией. На первых этапах внедрения спутниковых методов приемная аппаратура работала только по сигналам системы GPS [3]. В настоящее время в результате комплекса мер Правительства Российской Федерации по развитию и поддержанию национальной системы ГЛОНАСС, закрепленного в соответствующих постановлениях, на территории РФ допускается к использованию только спутниковая аппаратура, работающая по сигналам системы ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS.
Совершенствование алгоритмов обработки сигналов спутниковых систем, микроэлектронной базы и, как следствие, приемной спутниковой аппаратуры выдвинуло на повестку дня изучение тонких эффектов, влияющих на точность результатов определения координат, разработку новых методов, позволяющих максимально использовать ГНСС для решения геодезических определений различных классов точности [1, 2].
Исследования всего спектра систематических ошибок, влияющих на точность определения координат, проведенные многочисленными авторами и организациями, и в настоящее время представляют собой актуальную задачу в связи с совершенствованием структуры сигналов, частотного диапазона, а также новыми алгоритмами обработки, процессорами, антеннами, возросшими требованиями к точности, скорости, информативности координатного обеспечения [4-6, 8]. Метрологическое обеспечение, сертификация геодезической аппаратуры различного назначения и классов всегда находились в центре внимания при осуществлении геодезических работ. Важное значение в связи с этим приобрели вопросы оценки точности результатов совместной работы спутниковых созвездий ГЛОНАСС и GPS. Современные одно-двухчастотные геодезические спутниковые приемники ГЛОНАСС/GPS (в перспективе многосистемные, работающие по сигналам и европейской среднеорбитальной системы GALILEO и китайской BEIDOW) обеспечивают позиционирование в режиме постобработки с точностью 3-5 мм + 1 мм ppm и в режиме реального времени (кинематический режим RTK) с сантиметровой точностью. На рис. 3 представлена комплексная схема различных режимов ГЛОНАСС/GPS-измерений, включающая в себя навигационный режим и относительный, состоящий из различных модификаций постобработки и реального времени [7].
Рис. 3. Общая схема различных режимов ГЛОНАСС / GPS-измерений
Задача обновления карт крупных масштабов и отдельная программа по созданию новых, навигационных карт (баз данных) для автомобильной навигации, транспортных задач потребовала новых подходов и оперативных методов с учетом объемов и сроков выполнения работ. Для этого были разработаны интегрированная картографо-геодезическая спутниковая аппаратура и технология, позволяющие использовать в приемнике или контроллере семантические библиотеки образов для описания объектов местности и ситуации. В связи с этим появился специальный класс спутниковых приемников, работающих в режиме постобработки и обеспечивающих требуемый уровень точности. Масштабные работы по инвентаризации и обновлению карт, 3D-мониторингу не требуют применения высокотехнологичных и высокоточных двухчастотных приемников. В ряде случаев достаточно использовать аппаратуру класса метровой и субметровой точности. На рис. 4 представлены отображения точностных характеристик работы спутниковых приемников этих классов в различных масштабах [10].
Рис. 4. Точность работы спутниковых приемников в различных масштабах
В рамках общих целей ФЦП ГЛОНАСС значительное место занимает формирование баз пространственных данных, разработка автоматизированных систем различного назначения и т.п. с целью создания открытых цифровых навигационных карт. Проведение таких работ требует специальной интегрированной аппаратуры и программного обеспечения, позволяющих в короткие сроки получать большие массивы координатной и картографической информации с возможностью оперативной передачи ее в региональные или территориальные центры обработки. Основной технологией полевых измерений и обработки результатов являлся метод постобработки, заключающийся в выполнении полевых измерений и последующей камеральной обработке накопленной информации. Интенсификация производства кадастровых и землеустроительных работ, мониторинг земли и недвижимости выдвинули на передний план метод кинематической съемки, позволяющий выполнять полевые измерения и их обработку одновременно, в режиме реального времени (метод RTK), используя двойные разностные GPS и/или ГЛОНАСС/GPS-измерения фазы несущей, для получения координат подвижного приемника. Как правило, для передачи дифференциальных коррекций используется UHF- или GSM-модемы. Развитием этого метода в современном спутниковом позиционировании является создание и развитие спутниковых рефе-ренцных сетей базовых станций, использующих сигналы нескольких орбитальных группировок. Спутниковые станции в этом режиме обеспечивают формирование, передачу и прием корректирующей информации в виде дифференциальных поправок или точных эфемерид, коррекций шкал времени спутниковых группировок и др. При этом возникает необходимость исследования целого ряда вопросов, связанных с сетевой конфигурацией, длиной базисов между пунктами, методами передачи и структурой дифференциальных коррекций, уравнивания сетевых решений, оценки точности результатов. Программные решения и микроэлектронная база, заложенные в современной двухсистемной ГЛОНАСС/GPS-аппаратуре, позволяют получать относительные координаты объектов в реальном времени с сантиметровой точностью с учетом поступающей дополнительной корректирующей информации. Вследствие этого линии связи, способы передачи являются неотъемлемой частью высокоточного навигационного решения. Передача данных проводится в известных стандартах CDMA, GSM, PDC, GPRS, EDGE, 1xRTT, WCDMA, CDMA2000, UMTS, HSDPA. При использовании сети Интернет применяются протоколы IP и NTRIP, последний был специально разработан для передачи спутниковых данных пользователям по сети.
В последнее время в стадии обсуждения и исследования находится сетевой метод референцных станций. Концепция сетевых методов превосходит стандартный режим реального времени RTK по надежности, скорости инициализации, удалению от базовых станций, по точности при высокой солнечной активности, вызывающей ионо сферные аномалии [11, 13]. Существуют несколько различных подходов к организации и решениям в сетевых методах, основными из которых являются FKP, VRS, i-MAX, MAC. Международный комитет по дифференциальной навигации (RTCM) рассматривает в настоящее время универсальные форматы передачи данных глобальных навигационных спутниковых систем в сетевых методах. Сети базовых станций применяются для решений задач точного позиционирования в самых различных областях: создание и обновление кадастровых планов и карт; межевание земель; определение границ земельных участков и местоположения объектов недвижимости; геодезия и картография; определение координат пунктов геодезических сетей различных классов и назначений; привязка центров фотографирования; промышленное и гражданское строительство; проектные и изыскательские работы; прокладка трубопроводов, линий электропередачи; мониторинг смещений грунтов и сооружений; коммунальное хозяйство; высокоточная навигация на транспорте.
К настоящему времени разработаны принципы функционирования и запущены в эксплуатацию большое количество национальных и частных референцных сетей. Немецкая региональная система Службы спутникового позиционирования государственной геодезии Германии - SAPOS является наибольшей по покрытию территорий за счет сетевого решения VRS. SAPOS состоит более чем из 250 референцных станций с удалением друг от друга от 40 до 70 км. Координатное обеспечение предоставляется в широком диапазоне точностей - от 1-2 м до нескольких миллиметров с использованием различных каналов и способов передачи информации. Дифференциальные системы, подобные SAPOS, внедряются во многих развитых странах: США, Канаде, Франции, Швеции, Швейцарии и т.д. В Российской Федерации первой референцной системой был проект "Москва" (рис. 5).
Рис. 5. Проект межевания земель "Москва"
Накопленный опыт использования спутниковых технологий и аппаратуры показал, что для развития координатного обеспечения широкого спектра задач перспективной является концепция создания референцных сетей как инструмента координатного обеспечения. Начатые в конце XX в. в отдельных государствах и регионах работы по развитию, техническим решениям и методологии сетевого решения использования базовых станций дали мощный толчок новым подходам к решению традиционных задач геодезии, картографии, кадастра, всего комплекса координатного обеспечения спутниковыми методами. Инновационный проект межевания земель "Москва" явился основой для практического развития идеологии сетей базовых станций, как региональных, так и локальных. Развивающиеся методы сетевого решения, такие как FKP, VRS, i-MAX, MAC, позволяют минимизировать количество используемых базовых станций и оптимизировать состав подвижной аппаратуры при достижении высокой точности определения координат. Важное место занимает национальная и международная стандартизация форматов передачи данных и используемые каналы связи при сетевом решении, уравнивание референцных сетей.
Литература
1. Акимов А.А., Кузьмин Г.В. Исследование перспективы применения навигационных спутниковых терминалов для проведения высокоточных измерений на пересеченной местности и в городских условиях // Радиотехника. - 1996. - N 11. - С. 124-125.
2. Алексеев Б.Н. О точности определения координат пунктов по наблюдениям навигационных ИСЗ типа ГЛОНАСС // Геодезия и картография. - 1993. - N 12.
3. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. и др. Космическая геодезия. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1986.
4. Батраков Ю.Г., Куприянов А.О., Скрипкина Т.А., Каширкин Ю.Ю. Кадастровая съемка объектов недвижимости спутниковыми приемниками // Кадастровый вестник. - N 4. - 2006.
5. Батраков Ю.Г., Куприянов А.О., Скрипкина Т.А., Каширкин Ю.Ю. Исследования и опыт применения спутниковых приемников ProMark3 // Геодезия и картография. - N 1. - 2008. - С. 9-11.
6. Бойков В.В., Галазин В.Ф., Кораблев Е.В. Применение геодезических спутников для решения фундаментальных и прикладных задач // Геодезия и картография. - 1993. - N 11.
7. Куприянов А.О., Бородко Е.А. Комплексные испытания интегрированной картографо-геодезической спутниковой аппаратуры нового поколения // Геодезия и картография. - 2006. - N 10. - С. 41-45.
8. Куприянов А.О., Скрипкина Т.А. Исследование интегрированной картографо-геодезической аппаратуры для инвентаризации земель и недвижимости // Кадастровый вестник. - N 3. - 2006.
9. Ashkenazi V. еt al. High Precision Wide Аrеа DGPS, Рrос. of DSNS-96. - Vol. 1, St. Petersburg, Мау 1996. - N 8.
10. Van Diggelen F. Ashtech Technology, Presentation, 1996.
11. Walsh D., Capaccio S. еt al. Real Тime Differential Positioning Using GPS and GLONASS, Рrос. of DSNS-96, Add. Vol., St. Petersburg, Мау 1996. - N 11.
12. www.gpsworld.com [электрон, ресурс].
13. www.navgeocom.ru [электрон, ресурс].
14. www.rol.ru/news/misc/spacenews/04/03/ 05_005.htm [электрон, ресурс].
15. www.sat-tech.ru/glonass-problems.shtml [электрон, ресурс].
16. www.gps-info.ru [электрон. ресурс].
А.О. Куприянов,
кандидат технических наук, профессор Московского
государственного университета геодезии, аэросъемки и картографии
"Землеустройство, кадастр и мониторинг земель", N 4, апрель 2011 г.