Мережі перманентних станцій для роботи в RTK режимі

Міністерство освіти і  науки України

Київський національний університет  будівництва та архітектури

Кафедра інженерної геодезії

Реферат на тему:

«Мережі перманентних станцій для роботи в RTK режимі»

Виконав:

студент групи ГІСТ-31:

Мелешкін  І.С.

Перевірив:

Дем’яненко  Р.А.

Київ – 2013

Поява RTK (Real Time Kinematic) технології у розвитку систем точного супутникового  позиціонування та спільне використанням  нових телекомунікаційних можливостей  забезпечило широке впровадження її у різні галузі навігації, геодезії, кадастру тощо. З її появою стало  можливим отримувати сантиметровий  рівень координат безпосередньо  під час виконання спостережень, тобто процес технологічного опрацювання  зводився до мінімуму і став мало залежати від суб’єктивних факторів, що є  немаловажним для широкомасштабних координатних визначень, а затрати  часу при цьому  стали не перевищувати декількох секунд на одній точці.

Відомо, що для реалізації RTK технології може використовуватися  як окремо діюча базова (референцна) станція, так і ціла мережа таких  станцій, а сама технологія передбачає певну інфраструктуру: встановлення обладнання та організація роботи на базовій станції, система передачі даних спостережень чи безпосередньо  поправок у координати від базової  станції до користувачів або, при  роботі декількох базових станцій, у єдиний обчислювальний центр, отримання  даних користувачем або безпосередньо  від базової станції або від  обчислювального центру. Всі вище перераховані етапи роботи необхідно  пов’язати між собою відповідним  програмним забезпеченням (джерело  даних (Data Streams)– сервер (Server) – кастер (Caster)  – користувач (Client)) та лініями зв’язку (Інтернет).  Під сучасною GNSS інфраструктурою розуміється такий комплекс апаратно-програмних засобів, який включає один або декілька базових  мультичастотних GNSS приймачів, високоточні антени яких жорстко встановлюються на пунктах з відомими координатами (референцна RTK станція); програмне забезпечення на референцній станції чи окремому обчислювальному центрі, яке дозволяє організувати вивід RTK поправок в мережу Інтернет; рухомий (роверний) мультичастотний GNSS приймач з контролером та відповідним програмним забезпеченням до нього для реєстрації вимірювальних даних та остаточного отримання координат.

Оскільки сучасні можливості супутникових технологій є достатньо  ефективними та універсальними, то потреба у тимчасових станціях –  базах практично відпадає. Створюються  станції, що працюють за принципами перманентних станцій EUREF (Reference Frame Sub commission for Europe) чи IGS (International GNSS Service) і такі станції  називають референцними станціями, поскільки їхні координати ретельно визначаються, уточнюються та проводиться  їх безперервний моніторинг. Проте  на відміну від «класичних» перманентних станцій, референцні станції, що об’єднуються у мережу і працюють для реалізації RTK технології, стають активними станціями, тобто станціями, які у режимі реального часу «спілкуються» з  своїм обчислювальним центром.  Власне саме через це і виник новий термін «активні референцні станції» та «активна мережа станцій». На відміну від них «класичні» перманентні станції лише час від часу (мінімум через годину) передають дані своїх спостережень у відповідні центри зберігання та аналізу з метою їх подальшого статичного опрацювання. У геодезичному сенсі активна мережа референцних станцій є мережею згущення від мережі перманентних станцій. Відповідно, обидві ці мережі відрізняються своїми задачами, точністю, інфраструктурою тощо. Якщо мережа перманентних станцій є фактично опорною фундаментальною мережею, що покликана вирішувати науково-технічні задачі найвищої точності, то мережа активних референцних станцій повинна донести до користувачів, що працюють в області координатного забезпечення, можливість практичного отримання координат будь-якої доступної для супутникових технологій точки на земній поверхні чи у навколишньому просторі з достатньою точністю (см-метри) та оперативністю.

Отже, мережа активних референцних  станцій, яка базується на найсучаснішій RTK-технології, є централізованою  і максимально автоматизованою, дозволяє реально отримувати об’єктивні дані про місцеположення об’єкта  із сантиметровою точністю у єдиній системі координат і дозволяє розв’язувати цілий комплекс проблемних питань, в першу чергу, у якісному геодезичному забезпеченні земельно-кадастрових  робіт.

Головною перепоною на шляху широкого впровадження сучасних  GNSS-технологій в Україні, особливо тих, що пов’язані з режимом реального часу - RTK, є порівняно висока вартість організації подібної інфраструктури та очевидність її практичної ефективності. А оскільки вартість технології є відносним поняттям (можна згадати, наприклад, вартість GРS обладнання у середині 90-х років), то основним аргументом на користь її впровадження є все ж таки її ефективність. Саме питанням ефективності використання GNSS- інфраструктури і надається першочергова увага у світовій практиці.

Найбільш значного досвіду  зі створення та організації роботи інфраструктури режиму реального часу мають країни Європи, США, Австралії  тощо. Серед європейських країн найбільших здобутків досягла Німеччина. ЇЇ пріорітетні досягнення стали фактично стандартами у плані функціонування DGNSS та RTK технологій. Власне на базі створеної  ще у 90-х р.р. минулого століття німецької  мережі референцних станцій SAPOS (http://www.sapos.de/) вперше були розроблені принципи передачі RTK-поправок (диференційних корекцій) радіоканалами зв’язку через  ретрансляційні станції, формати передачі диференційних корекцій, що базувалися на принципі площинної лінійної інтерполяції (так званий формат FKP), новий протокол передачі потокових GNSS даних NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), що представляє GNSS дані для різноманітних використань  в Інтернеті на основі відомого протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol). NTRIP може використовуватися  для разповсюдження даних в будь-якому  форматі, наприклад, в форматах стандарту RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) версій 2.1/2.2/2.3 та 3.0/3.1 чи власних форматах фірм-виробників GNSS-обладнання, наприклад, Leica, CMR та CMR+. Ці досягнення вважаються стандартами  у плані функціонування DGNSS та RTK технологій.

На сьогодні розповсюдження диференційних поправок у реальному  часі стало невід’ємною частиною на Європейському континенті: 98 перманентних станцій EUREF із 200 діючих використовують Ntrip-технологію і режим RTK. Ці дані у реальному часі регулярно передаються від таких станцій, використовуючи принцип Інтернет радіо.

Процес встановлення та роботи активних референцних станцій поширився  на країни Східної та Центральної  Європи. В більшості європейських країн успішно працюють мережі референцних  станцій, які об’єднані єдиною організаційною структурою – EUPOS (European Position Determination System). Так, наприклад, польська GNSS мережа ASG-EUPOS розпочала свою діяльність з 2008р. Вона складається із 94 референцних станцій, 11 із них є двофункційні GPS + GLONASS, а також з двох обчислювальних центрів у Варшаві та Катовіцах. Обладнання на станціях та мережеве програмне  забезпечення від фірми Trimble.

До складу Чеської GNSS мережі CZEPOS входить 26 станцій, 3 центральні сервери  та центр опрацювання даних в  Празі. Дата початку роботи мережі - 2006 р. Станції обладнані апаратурою та програмним забезпеченням від  фірми Leica Geosystems, а мережеве програмне  забезпечення від німецької фірми    Geo++. З 2005 р. почала працювати Латвійська GNSS мережа LATPOS, яка включає 19 GNSS – станцій, 4 центральні сервери та обчислювальний центр в Ризі. Обладнання на станціях представлене фірмами Leica Geosystems та Trimble.  Для функціонування мережі використовується програмне забезпечення SpiderNet. Словенська служба визначення положення, яка називається  SIGNAL,  складається з 15 GNSS станцій рівномірно розташованих по всій території країни. Обладнання, яке встановлене на станціях, є від двох фірм- виробників: Trimble та Leica Geosystems. Мережеве опрацювання виконується програмним забезпеченням  GPSNet/RTKNet від Trimble. Більш детальнішу інформацію про мережі цих та інших країн Центральної та Східної Європи можна дізнатись на офіційному сайті EUPOS (http://www.eupos.org

На даний час технологія RTK набуває поширення і на території  нашої держави. Так, зокрема, теоретичними і практичними питаннями отримання  та передачі диференційних поправок в реальному часі займалися і  продовжують займатися наукові  центри Києва, Харкова, Львова.

Першим науково-технічним  проектом в Україні, направленим  на побудову локальної мережі активних референцних станцій, стала розробка науковців Головної астрономічної  обсерваторії з реалізації регіональної системи геодинамічного та екологічного моніторингу Криму ще у 2002 р. На жаль він мав лише теоретичне значення. Потім було ще цілий ряд інноваційних проектів у цьому руслі від  Академії наук України та інших наукових центрів. Їхня доля аналогічна: до практичних реалізацій справа не дійшла.

Перші практичні результати у цьому напрямі були отримані науковцями акціонерного товариства «АТ  Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань» у рамках проектування системи координатно-часового і  навігаційного забезпечення України. Ними, на основі розроблених контрольно-коректувальних станцій, були проведені експериментальні роботи з формування та передачі користувачам широкозонної диференційної коректувальної інформації у режимі реального часу. Основною метою цих робіт було забезпечення, при створенні мережі зазначених станцій на всій території України, точності координатних визначень у межах 1-3 м. У подальших планах було досягнення і геодезичної точності як для після сеансного опрацювання (post-processing) даних супутникових спостережень, так і для режиму RTK. На теперішній час розгорнуто вже 12 контрольно-коректувальних станцій із 57 запланованих «Концепцією створення та експлуатації системи координатно-часового і навігаційного забезпечення України з застосуванням глобальних навігаційних супутникових систем на період 2006-2011 р.р.». Основним стримуючим фактором на шляху практичної реалізації цього проекту є, очевидно, недостатнє державне фінансування. Що стосується терміну «активна мережа», то напевно його ще не можна застосовувати до набору контрольно-коректувальних станцій, оскільки вони не об’єднані єдиним мережевим програмним забезпеченням, а працюють як окремо діючі станції і до того досить нерегулярно.

Ще одним проектом у  галузі побудови локальної мережі активних референцних станцій є Регіональна  система високоточних супутникових геодезичних вимірювань від компанії "Навігаційно-геодезичний центр" (м.Харків). Ця система має виражену практичну направленість і є  поки-що лише сукупністю постійно діючих базових GPS-станцій, розташованих на території  Харківської та Київської областей, але не мережею у її теперішньому розумінні.

Аналогічні сукупності станцій  чи окремі станції створені чи плануються створити і на території інших  областей.

Практично це перші кроки  з впровадження в Україні нової  високоефективної технології супутникового  позиціонування – технології RTK. Проте  у жодному із зазначених проектів  не зреалізовано повністю інфраструктуру мережі активних референцних станцій.

Зусиллями кількох організацій  у Закарпатській області створена перша в Україні мережа активних референцних станцій, яка на даний  час знаходиться вже на стадії тестування і вводу у експлуатацію.

Закарпатська служба визначення положення - ZAKPOS (Transcarpathian Positioning Service) є  місцевою ініціативою та проектом встановлення однорідної базової інфраструктури диференційного GNSS (DGNSS) на території  Закарпатської обл. За своєю суттю  це регіональна GNSS система наземного  базування, що повністю створювалася за європейськими стандартами EUPOS і  направлена на забезпечення GNSS даними спостережень та поправками до них  в реальному часі (RTK) для високоточного  визначення місцеположення.

Реально робота над створенням проекту мережі активних референцних  станцій ZAKPOS на території Закарпаття розпочалася ще під час виконання  госпдоговору №0116/055-Н з Державним  комітетом України по земельних  ресурсах у 2006р.. Тоді був проведений аналіз сучасного стану та функціонування Європейської мережі перманентних супутникових радіонавігаційних станцій (ЕРN) та активних референцних мереж Європи.

Головними керівними документами на той час були: 

Технічні стандарти EPN

• Procedure for Becoming an EPN station. December 2006
• Guidelines for EPN Stations & Operational Centres.  May 2007
• Memo : Specifications for reference frame fixing in the analysis of a EUREF GPS campaign. Oktober 2008

Інструкції EUPOS

• Technical standards. Version 2.1, 24 April 2008
• Guidelines For Single Site Design. Version 2.1, 4 June 2008
• Guideline for EUPOS Reference Frame Fixing. Version 1.0,  21 September 2007
• Guidelines For Cross-Border Data Exchange. Version 1.0,  21 September 2006

Технічні стандарти  та інструкції NTRIP

• Ntrip, Version 1.0, Documentation, May 2004
• Ntrip, Version 1.0, Example Implementation, February 2006

Технічні стандарти  та інструкції Trimble

• Trimble GPSNet VRS Software, Version 2.60, September 2007
• Trimble GPServer. Data Publication Using the Internet, Version 2.60, September 2007
• Trimble NTRIP Caster. Version 1.0,  March 2006
• Trimble Total Control, Version 2.73, July 2003
• Trimble Survey Controller, Version 12.42, Nov.2008

Робочою групою було представлено та обґрунтовано вибір критеріїв  оптимізації проектування мереж  активних референцних станцій. Обґрунтовано економічну ефективність впровадження мережі супутникових радіонавігаційних  станцій у Закарпатті для потреб землеустрою, кадастру, геодезії тощо. При проектуванні мережі враховувася  економічний фактор розвитку окремих  районів області. Для цього територія району була розбита на умовні квадрати стороною 15 км. Відповідно від економічної активності кожному квадрату присвоювалась відповідна цілочисельна вага  1, 2, 3. На рис. 1 представлена економічна диференціація районів Закарпаття. Найбільш економічно активні райони мають вагу, що дорівнює 3.

Рис. 1. Економічна диференціація районів Закарпаття (червоний кружок = 3, синій кружок вага =2, жовтий кружок вага =1) 

Був розроблений проект оптимальної  мережі активних референцних станцій  на територію Закарпаття та виконано їх оптимальне моделювання. Згідно результатів  моделювання за критеріями EUPOS і  з врахуванням адміністративно-територіального  устрою Закарпатської області, оптимальні місця розташування референцних  станцій мали б знаходитись у  таких містах: Ужгород, Виноградово, Рахів,  Великий Березний, Міжгіря, Ясіня, а їх загальна кількість повинна була становити 6. Обчислювальний центр мережі може бути розташований будь-де, але з врахуванням місця розташування ДП «Закарпатгеодезцентр», його було вибрано саме у м.Мукачево.

Рис.2.4. Схема адміністративно-територіальної корекції розташування мережі активних референцних станцій на території  Закарпатської обл.

Паралельно із розробкою  проекту мережі були проведені громадські обговорення щодо практичних питань побудови та функціонування референцних  станцій на території Закарпаття (робочі наради у грудні 2006 р. та квітні 2007 р.), виступи на конференціях різного  рівня, публікації у науково-технічних  журналах.

Кількість станцій для  території області була визначеною остаточно за результатами робочих  нарад і з врахуванням економічної  доцільності становила п’ять.

Рис.3. Остаточна  схема розташування референцних  станцій на території Закарпатської  обл.

Одним із важливих критеріїв  місць розташування референцних  станцій, як показала подальша практична  діяльність, став фактор існування  аналогічних закордонних станцій, зважаючи на географічне розташування області (див. рис.3 – чорні кружки). На той час цей фактор нами не враховувався через різні причини, але, головно, через «закритий» характер наших станцій щодо існуючого  законодавства. Ця сторона нашого теперішнього становища буде розкрита у подальших  публікаціях.

Оскільки до часу проходження  сигналу від референцної станції  до обчислювального центру ставляться надзвичайно високі вимоги (<1 c), то, зрозуміло, що вибір місць розташування станцій зумовлювався також можливостями передачі інформації. З огляду на це, місцями встановлення референцних  станцій стали споруди районних відділень Укртелекому у містах Мукачеве, Хусті, Рахові, Міжгір’ї та Великому Березному.

Період, що передував безпосередній  реалізації проекту, тривав аж до половини 2008 р., тобто майже 2.5 року. Останніх півроку (перша половина 2008 р.) було затрачено на вибір оптимального варіанту обладнання для референцних  станцій та мережевого програмного  забезпечення для обчислювального  центру і програмного пакету для  опрацювання даних спостережень з референцних станцій з метою  встановлення їхніх координат.

Щодо обладнання для референцних  станцій, то без всяких вагань було вирішено зупинятися на такому варіанті, який би не вимагав використання комп’ютерів  та, відповідно, операторів на самій  станції. Передавання даних спостережень із референцної станції повинно  відбуватися без втручання оператора безпосередньо у обчислювальний центр через комунікаційні лінії зв’язку. Для такого варіанту можливе коло GNSS-обладнання сильно звужувалося. Вирішено було вибрати найбільш відому фірму-виробника - Trimble Navigation Limited, а з обладнання – найсучасніші (на середину 2008 р.)  GNSS-приймачі  Trimble NetR5  та антени Zephyr Geodetic Model II.

Із мережевого програмного  забезпечення реально був вибір  лише від трьох виробників: Trimble Navigation Limited (Trimble networking software – GPSNet + RTKNet),  Товариство з обмеженою відповідальністю Geo++ (GNSMART Professional) та Leica Geosystems (Leica GNSS Spider Software). Якщо третій варіант відпав через конкретний вибір GNSS-обладнання на користь Trimble, то з двома іншими варіантами достатньо довго визначалися. Ми вже навіть отримали рахунки для оплати від німецької фірми Geo++. Основним аргументом на їхню користь було не тільки висока якість і широке його використання у світі, але і дещо менша ціна від аналогічного продукту Trimble. Проте складнощі у розрахунках з цією фірмою (відсутність будь-якого представництва в Україні) заставили фактично зупинитися на програмному забезпеченні Trimble. Як показали подальші наші операції з цим мережевим програмним забезпеченням – вибір був правильний.

Для опрацювання даних GNSS спостережень на початковому етапі  було вирішено використовувати програмний пакет Trimble Total Control версії 2.73. Зазначимо, що опрацювання даних спостережень, отриманих нами з референцних  станцій, становить не просте завдання, зважаючи на високі вимоги щодо точності координат. Одним із немаловажних факторів при цьому є вибір опорних  перманентних станцій, що входять у  мережу EPN/IGS. На рис. 4 приведена загальна схема розміщення таких станцій  щодо мережі ZAKPOS. Про підходи до опрацювання  даних із референцних станцій ZAKPOS з залученням окремих станцій EPN/IGS, критерії вибору необхідних параметрів та інші нюанси цього процесу нами буде розкрито у наступних публікаціях.

Одночасно із облаштуванням  референцних станцій проходив етап практичного ознайомлення із інфраструктурою  роботи у режимі реального часу та перші кроки з її використання.

Рис. 4. Перманентні  станції EPN/IGS у регіоні Закарпаття

Друга половина 2008 р. та початок 2009 р. – це період придбання GNSS-обладнання  та програмного забезпечення і безпосереднього облаштування референцних станцій. Під облаштуванням референцної станції розуміється вибір місця та встановлення GNSS-антени, прокладання кабелю від антени до спеціальної шафи, де розміщений  GNSS-приймач з комунікаційним обладнанням, та під’єднання останнього до ліній Інтернет-зв’язку.

У таблиці 1 наведені характеристики обладнання референцних станцій  мережі ZAKPOS (типи приймачів та антен, висота антен).

Таблиця 1

На рис.5-6 показано схематичне розташування обладнання на референцних  станціях ZAKPOS, а на рис. 7 – обчислювального  центру у м. Мукачево.

Рис. 5. Центральна станція мережі – MUKA (Мукачево)

Рис. 6. Загальний  вигляд станцій мережі ZAKPOS

Рис. 7. Обчислювальний центр мережі ZAKPOS

Регулярні GNSS спостереження  на референцних станціях мережі ZAKPOS розпочалися 04 лютого 2009 р. (35 GPS день, 1517 GPS-тиждень). Тривалість добових спостережень становила 24h, а інтервал між епохами - 1s. З того часу і розпочалося  регулярне опрацювання цих спостережень. Їх результатом стало встановлення вихідних координат референцних  станцій ZAKPOS. На цьому початковому  етапі функціонування мережі координати референцних станцій були зафіксовані  у системі ETRS89/ETRF2000 на епоху 2009.585.

Сервер мережі ZAKPOS розпочав працювати у тестовому робочому режимі з 12 червня 2009 р. На той час  він дозволяв використовувати наступні сервіси:

• отримати RINEX-дані з референцних станцій: Мукачево, Хуст, Рахів, Міжгір'я, Великий Березний;
• створити і отримати RINEX-дані VRS (віртуальних референцних станцій) за запитом;
• надавати інформацію про актуальні умови в мережі референцних станцій (Satellite Tracking);
• забезпечувати інформацією про атмосферні характеристики і похибки ефемерид супутників.

Що стосується роботи RTCM-генератора, тобто можливості отримання RTK-поправок обмежувалися форматом RTCM 2.3, що видавався  кожною окремою референцною станцією безпосередньо технологією Trimble без  використання протоколу NTRIP. На той  час це дозволяло відпрацювати роботу у режимі RTK-знімання з роверними  приймачами Trimble R8 та польовим контролером TSC2, провести експериментальні дослідження  технології виконання робіт та точності отримання координат при роботі окремих референцних станцій, опробувати та оцінити можливості роботи з віртуальними референцними станціями. Отримані результати навіть дещо шокували: у режимі RTK були визначені координати пунктів, віддалених від референцних станцій на відстані до 250 км, з точністю 5-10 см. Також проводилися  дослідження з можливістю роботи одночастотних приймачів без  використання власної базової станції, а з використання створеної на район робіт віртуальної референцної  станції. Результати теж виявилися  вдалими. Детальніше про експериментальні дослідження того періоду буде описано  окремо.

На рис. 8. дається загальний  вигляд Web-сервера мережі ZAKPOS. Там  видно його адресу і можливі види сервісів, а на наступному рисунку (рис.9) приведено головне вікно програмного  забезпечення GPSNet.

Рис. 8. Загальний  вигляд Web-серверу ZAKPOS

Рис. 9. Вікно програми GPSNet 

За технологією NTRIP мережа перейшла працювати з 15 жовтня 2009 р. шляхом введення у роботу NTRIP Caster ZAKPOS. Адреса кастера – 82.207.98.217:2102 або zakpos.mine.nu з вільним доступом до всіх ресурсів мережі. З цього часу появилися  додаткові можливості вибору форматів RTK-поправок, а саме сучасного мережевого формату RTCM v3 у реалізації RTCM3Net і  віртуальних мережевих поправок VRS_RTK 2.3/3.1.

Таким чином на кінець 2009 р. мережа референцних станцій ZAKPOS повністю ввійшла у робочий режим (7 днів/24 год) із всіма можливими сервісами. У таблиці 2 наведено різні варіанти роботи від мережі ZAKPOS.

Таблиця 2

Насамкінець хочеться відзначити, що заміна нових технологій – це болючий процес переходу від десятиліттями  відпрацьованого механізму роботи до чогось ще не знаного і не зрозумілого. Це не тільки ломка всього того, що здавалося  правильним і непохитним, але й  якісно новий технологічний рівень. Бурхливий розвиток інформаційних  технологій, сучасних засобів комунікацій, комп’ютерних та супутникових технологій привели до появи нових підходів до координатного забезпечення у  всіх сферах його використання і, в  тому числі, в геодезії. Одним із таких підходів є функціонування активної мережі референцних станцій.