ГНСС в геодезии. Коротко о главном.

Добрый день, уважаемые посетители сайта НГК!

Перед тем, как купить геодезический ГНСС приемник, каждый пользователь должен получить хотя бы приблизительное представление о том, как работает его оборудование.

Зачем? Чтобы повысить свою продуктивность и исключить возможные грубые ошибки в работе.

В этой статье мы дадим короткий разбор понятий необходимых при использовании современного ГНСС приемника:

Начнем издалека… Начало спутниковой геодезии было положено выводом на орбиту Земли первого искусственного спутника. Как вам известно, осенью 1957 года была закончена сборка спутника и 4 октября он был запущен на околоземную орбиту.

Внутри у этого спутника находился радио передатчик и он передавал сигналы. Любой радио любитель в мире мог принимать эти сигналы. Спутник было видно с земли - многие наблюдали его в телескопы. В то время наш спутник был в большой моде.

Но через несколько дней после запуска спутника в Америке началась паника…в связи с тем, что за океаном естественно подумали что ничего не мешает поместить в спутник бомбу и начать бомбить территорию Америки при помощи спутников. Все это естественно привело к гонке вооружений и к космической гонке.

В итоге были созданы различные типы спутников: метеорологические, военные, спутники связи, навигационные спутники и другие.

На текущий момент по данным Индекса космических объектов Организации Объединенных Наций, в общей сложности на околоземной орбите находится более 7500 активных спутников различного назначения. Ежегодно запускается более 1000 штук различных новых спутников.

Нас с вами будут интересовать около ста спутников, которые применяются в гражданской навигации. Ниже показан пример такого спутника.

Внешний вид спутника GPS

Вы видите что он стал сложнее первого спутника. У него появились солнечные батареи, двигатели, высокоточные генераторы сигналов и многое другое. Короче с 1957 года возможности спутников сильно изменились.

Для того чтобы система навигации была глобальной, необходимо чтобы в любой точке земли (или моря) где бы мы не находились, мы могли бы принимать сигналы со спутников.

Любая глобальная спутниковая система создана таким образом, чтобы у нее было несколько разных орбит, по которым вращаются навигационные спутники. Необходимое количество орбит рассчитано исходя из того, чтобы в любой точке планеты можно было получать сигналы со спутников.

Система состоит не только из космического сегмента (непосредственно сами спутники), но ещё и из наземного сегмента. У каждой навигационной системы есть свой наземный сегмент. Его ещё называют контрольный сегмент. Он состоит из станций слежения, которые собирают информацию о спутниках, транслируют эту информацию на сами спутники, откуда она часть информации поступает в наши приемники. Какая именно информация поступает в приемники и как она туда попадает мы разберем чуть позже.

Пример расположения наземного сегмента ГЛОНАСС

Навигационные спутники летают у нас над головой на высоте примерно 20 000 км. Период обращения спутника вокруг земли составляет около 12 часов. Это значит что за сутки любой спутник дважды виден над одним и тем же местом наблюдения.

Актуальную информацию по количеству доступных на сегодня спутников по каждой системе можно найте здесь - https://glonass-iac.ru/gps/sostavOG/

Состав спутников системы GPS

Состав спутников системы ГЛОНАСС

Состав спутников системы Beidou

Состав спутников системы Galileo

Возможность приема всех доступных спутниковых систем на вашем приемнике обеспечит более быстрое позиционирование в сложных условиях, а также повысит точность и скорость работы на больших расстояниях от базовой станции. Подробнее об этом ниже в этой статье.

И наконец перечень преимуществ использования ГНСС:

Давайте попробуем разобраться как же спутники позволяют нам определять свои координаты. Геометрический смысл определения наших координат по спутникам очень прост.

Если наш ГНСС приемник знает где находится каждый спутник (т.е имеет координаты спутника) в каждый момент времени, а также знает расстояние между приемником и каждым спутником, то простой линейной засечкой можно найти наше местоположение. На картинке ниже в правой стороне показан пример того, как теоретически приемник может определить своё местоположение на плоскости по трем трем известным спутникам: Satelite 1, Stelite 2, Satelite 3. В этом примере радиус каждой окружности это расстояние от спутника до нашего приемника. Точка пересечения окружностей и есть наше местоположение. Но в действительности мы работает в трехмерном пространстве, поэтому нам нужно добавить измерение до четвертого спутника, чтобы однозначно определить наше местоположение в пространстве. См. рисунок ниже слева:

Геометрический смысл определения координат местоположения приёмника по спутникам

Таким образом ГНСС приемник должен иметь информацию о координатах каждого спутника, а также должен иметь возможность измерить расстояние между собой и наблюдаемым спутником.

С этим связан геометрический фактор зависимости точности расчета местоположения от взаимного расположения спутников на небесной сфере. Этот фактор имеет короткое наименование DOP. У него есть несколько составляющих: PDOP, VDOP, GDOP, TDOP.

В прошлом когда спутников было мало и RTK было не очень распространено очень часто геодезисты обращали большое внимание на этот показатель. Смысл состоит в том, что чем больше объем фигуры, образуемой спутниками и нашим приемником, тем лучше окажется качество засечки при определении нашего местоположения:

Представьте что мы стоим в открытом поле в степи и видим небо до горизонта. Наш приёмник при этом видит все доступные спутники, сигнал не испытывает преград в виде деревьев, зданий и т.д. То есть он отслеживает спутники находящиеся и прямо у нас над головой, а также находящиеся низко над горизонтом - в этом случаем объем фигуры будет максимальным и качество засечки также будет максимальным. Если же мы стоим условно «в колодце» и видим только несколько спутников строго над нами, то в этом случае значение DOP будет максимальным и качество засечки будет низким.

В реальных условиях мы редко работаем в чистом поле и различные здания, растительность и прочее снижают возможность приема доступных спутниковых сигналов. Именно поэтому важно чтобы ваш приемник, а также базовая станция имели максимальное количество доступных спутниковых систем.

Если мы выйдем работать в городе имея в приемнике возможность работать только по спутникам GPS, то скорее всего сантиметровой точности в режиме реального времени мы вообще не получим. Если мы добавим возможность работы по спутникам ГЛОНАСС, то шансы получить нормальную точность вырастут процентов на 30. Добавляю прием спутников Beidou и GALILEO мы увиливаем шансы получения необходимой точности до максимума.

Итак, каким же образом приемник рассчитывает расстояние до спутника?
Каждый спутник имеет на борту высокоточный генератор частоты. Исходная единая частота разделятся на несколько несущих частот (например, L1, L2, L5 у GPS). На рисунке ниже показано для примера как сигналы, преобразованные в частоты L1 и L2, поступаю в ГНСС приемник. Как видите сигналы проходят слой ионосферы, который вызывает задержку сигнала. Именно поэтому при проектировании ГНСС изначально было решено использовать не одну частоту, а две. Так как использование двухчастотного оборудования позволяет полностью исключить влияние ионосферной задержки.

Спутниковые сигналы передаются на несущих частотах диапазона L1, L2, L5 и т.д Соответственно бывают одночастотные (L1), двухчастотные (L1 и L2) и мультичастотные (L1, L2, L5 и др. - см ниже) ГНСС приемники. Все современные геодезические спутниковые приемники являются мультичастотными.

Почему спутники передают сигналы на нескольких частотах? Во первых сами по себе частоты являются как-бы линейками, при помощи которых приемник измеряет расстояние до каждого спутника. Т.е если мы работаем по одной частоте у нас имеется всего одна линейка, если по двум, то уже две и т.д.

Кроме самой несущей частоты в сигнале содержится определенный набор специального кода, при помощи которого приемник также способен измерять расстояние до спутника. Кодовые измерения грубее нежели измерения по фазе несущей частоты.

Все геодезические приемники используют код (для грубой навигации) и несущие частоты.

Кроме того, в каждой несущей частоте записано так называемое навигационное сообщение. В этом сообщении содержится много полезной информации, в том числе информация о координатах каждого спутника (альманах с эфемеридами). Информацию об актуальности альманаха нашего приемника мы можем посмотреть на экране полевого контроллера.

Зачем это нужно знать? Где это может пригодиться? Если мы берем приемник, который долго лежал на складе, то в нем точно устаревшие альманахи. Если вынести на улицу такой приемник, то ему потребуется минут 10-15 на то, чтобы обновить альманахи. С устаревшими альманахами приемник просто не будет знать где искать спутники на небосводе. Но как только альманахи обновятся приемник получит возможность мгновенно находить нужные спутники.

                                                   

Также нужно понимать что спутниковый сигнал поступает к нам с довольно большой высоты. И сигнал проход различные слои - тропосфера и ионосфера.

Проходя эти слои сигнал задерживается и искажается. Он поступает в приемник не по прямой (как в безвоздушном пространстве), а по искаженной траектории. Т.е приемник измеряет не реальное расстояние между спутником и приемником, а искаженное расстояние, которое называют псевдодальностью. Именно поэтому было предложено использование двух частот, так как это полностью исключает влияние ионосферы.

Факторы, влияющие на точность спутниковых измерений:

• Ошибки наблюдателя (измерение высоты инструмента, ошибки центрирование, не верная система координат). Чаще всего самые большие ошибки при работе с ГНСС возникают из-за не корректного использования систем координат и высот. О системах координат смотрите ниже.

• Открытость небосвода (залесенность, застройка) - в чистом поле все приемники будут работать примерно одинаково хорошо. Но при наличии преград обязательно возникнут сложности либо со скоростью получения данных, либо с достоверностью данных.

• Количество доступных систем и частот - чем больше в приемнике открытых систем и частот, тем лучше.

• Расстояние между базой и ровером - с увеличением расстояния между базой и ровером снижается точность и увеличивается время получения фиксированного решения в RTK. Подробнее об этом ниже.

• На следующие ошибки мы повлиять на можем:

• Ошибки часов и эфемерид спутников.

• Ошибки моделирования ионосферной и тропосферной задержек.

• Ошибки многолучевости и шумы приемника.

Суммарная ошибка определения координат одним приемником составит 10-15 метров. В настоящее время это значение может быть снижено до 3-5 метров, но все равно эта точность далека от потребностей геодезии. Как же быть, если мы хотим использовать спутниковый приемник в геодезии с точностью первых сантиметров или даже первых миллиметров?

Для повышения точности используется дифференциальный или относительный способ. Все геодезические способы использования ГНСС являются дифференциальными (RTK, статика, кинематика - см ниже).

В этом способе подразумевается одновременное использование минимум двух приёмников, работающих одновременно (база и ровер). Считается что в этом случае влияние многих факторов на базу и ровер является одинаковым и многие ошибки взаимно исключаются, что позволяет определить длину вектора между базой и ровером с высокой точностью.

Максимально возможная реальная точность геодезического приемника зависит в первую очередь от выбранного режима работы. Для каждого сертифицированного как средство измерения приёмника в РФ можно посмотреть заявленную точность для каждого режима на сайте Аршин (ссылка: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/4)

В реальных условиях у приемника в поле вы увидите различные типы решений в режиме реального времени:

В навигационном режиме геодезический приемник работает только по навигационным спутникам и не получает никакие поправки от базы - точность такого решения как правило находится в диапазоне от 2 до 5 метров.

В кодовом режиме поправка поступает, но ещё не удалось разрешить фазовую неоднозначность. Точность как правило от 30 до 50 см.

В фиксированном решении фазовая неоднозначность решена и точность как правило от 1 до 5 см в режиме реального времени.

Далее нам важно отметить что все глобальные спутниковые системы работают в различных общемировых системах координат:

Пока что просто примите это как факт. Далее мы поговорим о системах координат более детально.

RTK (кинематика в режиме реального времени) - основной режим работы геодезического спутникового приемника, ежедневно используемый тысячами геодезистов по всему миру. Давайте разберемся как этот способ организован и рассмотрим его особенности.

RTK - это дифференциальный способ, т.е. используется минимум 2 приемника одновременно. Один приемник устанавливается над известным пунктом (этот приемник называется базовым), второй приемник подвижный (ровер). Именно с ним инженер решает все свои задачи. Считается что чем ближе друг к другу расположены база и ровер, тем более похожи условия наблюдения спутников для этих двух приемников. И в этом случае влияние многих факторов можно взаимно исключить. В реальности чаще всего работа ведется на расстояниях до 100 км, хотя при использовании всех спутниковых систем и частот расстояние между базой и ровером может быть даже больше 100 км.

При установке базы над известным пунктом мы указываем приемнику координаты точки стояния и измеряем высоту инструмента. Одновременно с этим базовый приемник сам определяет свое местоположение автономно по спутникам. Естественно, что указанные нами точные координаты стояния базы и те координаты, которые база определила самостоятельно по спутникам не сходятся между собой. На основе этого расхождения база формирует так называемую дифференциальную поправку и передает эту поправку по каналу связи на ровер.

У некоторых производителей есть свои собственные форматы поправок (например форматы Leica и Leica 4G, CMR/CMR+). Также есть общедоступные форматы например формат RTCM (различных версий).

Ровер, получая поправку по каналу связи от базы, постоянно обновляет свое местоположение (с той частотой, с которой база передает поправку). При помощи этой поправки постоянно пересчитывается вектор, соединяющий базу и ровер. Так образом постоянно пересчитываются координаты ровера. Возможность получать координаты и оценку точности этих координат в режиме реального времени на экране контроллера делает режим RTK самым удобным и быстрым в решении многих инженерных задач.

Точность этого режима зависит от множеств факторов. Основные факторы - расстояние между базой и ровером, условия приема спутникового сигнала, одинаковая поддержка всех доступных спутниковых систем и частот на базе и ровере.

Особенности RTK:

• Обязательное наличие постоянного канала связи для передачи поправок – радио, GPRS, GSM или L-band.

• Форматы RTK-поправок: Leica, Leica 4G, CMR/CMR+, RTCM

• Если не используется радио-канал, необходимо наличие GSM покрытия (при работе по прямому дозвону), либо GPRS-интернет

• Координаты и оценка точности в реальном времени

• Не требуется постобработка

• Минимальное время на получение координат

• Расстояние между базой и ровером более 100 км

• Сантиметровый уровень точности

• Возможное применение: съемка, вынос в натуру, расчет площадей/объемов и многое другое

Для успешной совместной работы приемников различных производителей в режиме RTK необходимо убедиться в том, что они поддерживают одинаковые форматы поправок, а также при работе по радио одинаковость настроек радио модемов на базе и ровере (частота, ширина канала, протокол, FEC и т.д).  

Повысить качество RTK решения можно используя более короткое расстояние между базой и ровером, более длительным стоянием на точке (здесь может помочь использование бипода или штатива). Также важно использовать все возможные спутниковые системы на базе и ровере, а также нужно стремиться к тому, чтобы база была расположена в местах с как можно более открытым небосводом. 

Статика - это еще один важный режим работы спутникового приемника.

Особенности статики:

• Канал связи между приемниками не используется

• Требуется постобработка в настольном программном обеспечении (например, Leica Infinity)

• Пишутся «сырые данные» mdb или RINEX

• Самая высокая точность определения координат – первые миллиметры

• Применяется для создания и сгущения съемочного обоснования

• Требуется длительное время в полях

• Расстояние между приемниками может быть более 100 км

И ещё один вариант работы, который можно применять в отсутствии RTK - это кинематика (режим STOP and GO).

Особенности кинематики:

• Канал связи между приемниками не используется

• Требуется постобработка в настольном ПО

• Низкая надежность

• В поле нет гарантии точности определяемых пунктов

• Результаты доступны только после обработки в настольном ПО

• Возможна съемка, но не вынос в натуру

• Требуется более длительное время на съемку каждой точки (в сравнении с RTK)

Одиночное и сетевое RTK

В левой части показан пример переносной полевой базовой станции на штативе, в правой - пример постояннодействующей станции в составе сети базовой станции Leica SmartNet.

При помощи чего передаются и принимаются RTK поправки?

Чаще всего для приема и передачи RTK поправок используют внешние или внутренние модемы различных типов:

Технология приема сигналов L-band (пример, технология Leica SmartLink) позволяет получать поправку в любой точке мира без использования модемов полностью автономно. 

Радио (UHF) - один из популярнейших RTK каналов в регионах с не стабильным GSM/GPRS покрытием.

Особенности радио канала:

• Не привязаны к GSM-покрытию

• Необходимо оформлять разрешение радио-частотного центра (РЧЦ)

• Ограничение по расстоянию. Расстояние зависит от мощности передающего модема, от чувствительности принимающего модема, от рельефа местности и наличия преград и глушилок

• Количество роверов, работающих от базы по радио-каналу не ограничено

• Настройки радио (частоты, протоколы и пр.) должны быть выполнены одинаково на базе и ровере

Особенности GPRS RTK:

• Можно использовать везде, где есть устойчивая GSM-связь

• Не нужно оформлять разрешение РЧЦ

• Используется при работе в сетях постоянно действующих базовых станций

• Используется статический IP-адрес и NTRIP-протокол (логин и пароль)

• Можно раздать Wi-Fi со смартфона

Особенности GSM RTK:

• Можно использовать везде, где есть стабильная GSM связь

• Нет необходимо оформлять разрешение РЧЦ

• Принцип «точка-точка»

• «Платит» сим-карта ровера

• Требуется услуга "пакетной передачи" данных на сим-карте

Если мы с вами зайдем в менеджер систем координат в настольном ПО или в полевом ПО контроллера мы увидим множество специальных терминов: эллипсоид, проекция, трансформация, модель геоида и т.д.

Давайте разберемся где и для чего используются все эти специальные термины.

Немного истории…

Людям всегда было интересно какую же форму всё-таки имеет наша планета, какую массу она имеет и пр.

Исаак Ньютон первый теоретически доказал, что если Земля вращается, то она должны быть сплюснута по полюсам. Он доказал, что Земля имеет форму не шара, а форму эллипсоида.

После публикации этих теоретических выводов, многие ученые кинулись выполнять так называемые градусные измерения на поверхности Земли.

Суть градусных измерений состоит в том, чтобы измерить длину одного градуса где-нибудь на севере и тот же самый градус измерить где-нибудь на экваторе. Если бы длины совпали, это бы означало, что Земля круглая и длинна градуса на поверхности в любом месте одинакова. НО они оказались далеко не равными. Чем севернее проводились измерения, тем длинна градуса была больше.

Подобные измерения проводились во всех частях света и в итоге они подтвердили выводы Ньютона о эллипсоидальной форме Земли в первом приближении.

Для чего нужны различные модели эллипсоидов? Для того, чтобы грубо описать форму Земли. Понятно, что эллипсоид не описывает какие-то горы, каньоны или поверхность океана. Это очень простая математическая фигура.

Эллипсоиды бывают двух типов: общеземные, которые идеально подходят под всю Землю в целом, а также референц-эллипсоиды, описывающие какие-либо отдельно взятые регионы и страны. В общеземных системах координат используются общеземные эллипсоиды. В общегосударственных системах координат чаще всего используются референц-эллипсоиды.

Под территорию РФ, например, идеально подходит референц-эллипсоид Красовского. ПОд другие территории он подходит хуже. Другие страны также рассчитывают эллипсоиды, подходящие под их территории. На этих данных строится национальная система координат. Под всю землю в целом хорошо подходит например эллипcоид WGS-84.

С каждым эллипсоидом связана трехмерная система координат. И любая точка в этой система координат будет иметь три координаты X, Y, Z, либо B, L, H (широта, долгота, высота над поверхностью эллипсоида). Координаты из XYZ можно однозначно пересчитывать в BLH и обратно. Поэтому в любом программном обеспечении для ГНСС можно посмотреть координаты в виде XYZ или BLH.

Для пересчета координат из одной трехмерной СК в другую, например из общемировой WGS-84 в референцную СК (связанную с эллипсоидом Красовского), необходимо иметь параметры пересчета (преобразования) координат (7 параметров): смещение центра СК (три параметра), разворот каждой оси (три параметра), разница масштабов (последний седьмой параметр).

Для того, чтобы перейти от работы в трехмерном пространстве на плоскость использую различные проекции. Давайте рассмотрим как применяются проекции на практике.

Если взять эллипсоид и поделить его на равные 6 градусные дольки как апельсин, то мы получим зональное деление на 60 зон. Каждую зону можно развернуть (спроецировать) на плоскость. Получится плоская фигура, в которой уже можно задать плоскую систему координат. Ось Y вдоль экватора, ось X делит зону пополам вертикально. Т.е при помощи проекции мы с вами можем переходить от трехмерной работы на работу в плоскости.

Проекция и связанная с ней плоская система координат

Следующее важное понятие это геоид. Давайте посмотрим что это за понятие.

Есть реальная поверхность земли по которой мы ходим ногами. Есть эллипсоид - это очень простая математическая модель. Максимально точно описывающая реальную поверхность Земли фигура называется геоид. Его поверхность совпадает с невозмущенной поверхностью океана и эта поверхность неким образом «виртуально» продолжена под сушу. У геоида в отличие от эллипсоида есть физический смысл, связанный с распределением масс в теле Земли. Поверхность геоида (квазигеоида) можно определить при помощи различных гравиметрических измерений, в том числе спутниковых. На основе таких измерений формируются общемировые модели геоидов на весь земной шар. Из общемировой модели можно вырезать куски на нужные территории и использовать эти модели для определения высоты в полевом или настольном ПО.

Во многих странах принята приняты системы высот, связанные с уровнем моря в этих странах. В РФ используется Балтийская система высот. Т.е высоты откладываются от некоего среднего уровня моря в городе Кронштадте (нуль кронштадского футштока).

Понятно что уровень океана например в Африке не равен уровню в Америке. Та или иная модель геоида как раз описывает этот средний уровень моря в разных частях океана.

Если бы мы использовали в работе высоты, определенные относительно эллипсоида, то у нас начались бы проблемы при работе с нивелиром или тахеометром. Так как эти инструменты мы устанавливаем по уровню. Т.е по нормали (отвесно) к поверхности геоида. Таким образом, модели геоида позволяет использовать спутниковое оборудование в том числе и для определения нормальных высот - тех высот с которыми мы работаем при нивелировании или тахеометрии.

Давайте попытаемся соединить воедино все ранее изученное. Есть реальная физическая поверхность Земли, есть ее модели в виде общеземных моделей геоида, общеземных эллипсоидов, есть различные проекции.

Как же все-таки использовать ГНСС приемник для работы на плоскости?

Представьте себе что кто-то пришел и забил в землю кол и назначил этот кол началом своей системы координат - см. оси красного цвета на картинке ниже. Также он задал условное направление на какой-то удаленный объект в качестве одной из осей исходных осей X, отложил в какой-то плоскости под 90 градусов ось Y, а также вертикально от плоскости он задал систему отсчета высот. Все это называется локальной системой координат. Если мы планируем работать с тахеометром или нивелиром, то вопросов никаких нет.

А как же ГНСС приемник? Как делать съемку или вынос в натуру в этой системе координат? Понятно, что в этом случае у нас нет никакого эллипсоида, никаких параметров перехода, и т.д. У нас нет никаких параметров местной системы координат, которое мы могли бы использовать в нашем ГНСС приемнике.

Есть способ, который позволит полевому ПО контроллера или офисной программе пересчитывать координаты из общемировой СК WGS84, в которй работает каждый спутниковый приемник в локальную местную СК.

Этот способ называется калибровка или трансформация координат. Для того, чтобы воспользоваться калибровкой нам потребуется хотя бы 4 точки (лучше больше) с известными координатами в местной системе координат. Измерив эти точки ГНСС приемником в СК WGS84 полевое ПО сможет сопоставить измеренные пункты с их известными координатами в местной СК.

Примеры выполнения калибровки смотрите в видео ниже:

На этом наше короткое введение в мир теории ГНСС оборудования заканчивается, а если вам нужно купить геодезический ГНСС-приемник, вы можете выбрать подходящий из нашего ассортимента.

Ознакомиться с другими полезными статьями нашего блога можно по ссылке.