ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ GPS БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

Введение

GPS - одна из наиболее точных глобальных систем определения координат. Но её точность ухудшают ряд факторов, возникающих из-за влияния атмосферных явлений и солнечной радиации на параметры спутниковых сигналов, ухода часов спутников и т.п. Такие ошибки можно значительно уменьшить, применив дифференциальную коррекцию с использованием стационарного GPS приёмника, установленного в точке с заранее определёнными координатами. Такой приёмник называют базовым. С помощью этого приёмника можно вычислять корректирующие значения погрешностей, возникающих в дальномерных спутниковых сигналах.

Существуют два метода дифференциальной коррекции координат, с помощью которых достигается точность позиционирования от 2-5 метров до нескольких миллиметров. Метод дифференциальной коррекции реального времени позволяет определить уточнённые непосредственно на месте измерения. Для этого мобильный GPS приёмник должен кроме сигналов от спутников принимать также корректирующие данные от базового GPS приёмника. Такие данные, как правило, передаются с помощью УКВ/FM радиостанций по протоколу RTCM или по каналам мобильной GSM связи. Такой метод хорош тем, что позволяет проводить точную навигацию непосредственно на месте определения координат. Его недостатками является снижения надёжности системы из-за наличия дополнительного оборудования и сужения области действия, по причине ограниченной дальности действия радиостанций. Стоимость такого оборудования достаточно высока. Метод постобработки основан на накоплении данных для последующей дифференциальной коррекции на базовой станции, которая состоит из приёмника с антенной, компьютера и соответствующего программного обеспечения. Мобильный GPS приёмник также накапливает данные в собственной памяти или в памяти мобильного компьютера в объёме, достаточном для последующей дифкоррекции. По окончании работ данные базы и мобильного GPS приёмника (сырые данные измерений) совместно обрабатываются, при помощи специального программного обеспечения. Этот метод более надёжен, чем метод реального времени, на его область применения влияют только ограничения самого метода дифференциальной коррекции.

Для функционирования дифференциального режима работы системы GPS существует наземная базовая сеть GPS станций постоянного действия. Каждая такая станция имеет постоянно обновляемую высокоточную привязку. Станции накапливают данные, которые доступны пользователям, посредством сети Internet. Наиболее развита такая система в США (CORS) и Европе (EUREF). В России также имеется слаборазвитая сеть станций, которые принадлежат различным научно-исследовательским организациям. С этими данными можно познакомиться на сайте SOPAC.

В Екатеринбурге работает постоянно действующая GPS базовая станция EKTB, созданная на базе Института горного дела УрО РАН. Основными компонентами базовой станции является GPS приемник, установленный в фиксированной точке и программное обеспечение для управления таким приемником и регистрации данных на компьютере. Данные базовой GPS станции позволяют корректировать погрешности автономного определения координат подвижными приемниками при постобработке полевых данных. Коректный учет погрешностей осуществляется при выполнении следующих условий:

Подвижный приемник накапливает данные в радиусе действия базовой станции.
При этом наблюдается как минимум 4 или более общих спутников
Накопление данных подвижным приемником происходит синхронно с базовой станцией.

Программное обеспечение базовой станции позволяет записывать сырые данные GPS на диск компьютера и использовать их в последствии для дифференциальной коррекции при постобработке, а также публиковать эти данные в сети Internet для обеспечения доступа к ним всех заинтересованных пользователей.

Состав оборудования базовой GPS станции

Ядром существующей системы является двухчастотный GPS приёмник Trimble серии 4000SSE, работающий под управлением программного обеспечения Trimble Reference Station и антенна Trimble Compact L1/L2. Приёмник круглосуточно записывает данные для постобработки, с интервалом в 5 секунд, в формате Rinex версии 2.0 (этот формат поддерживается программным обеспечением всех производителей) и формате SSF (формат сырых данных накопленных кодовыми приемниками Trimble). Продолжительность одного файла данных составляет два часа, после чего он архивируется и выкладывается в сеть Internet на FTP сервер. В среднем размер одного файла составляет 700 Кб. При этом пользователь получает доступ к нему практически сразу же и может проводить дифференциальную коррекцию полевых данных.

Программное обеспечение Trimble Reference Station (TRS) позволяет проводить все необходимые операции по настройке, запуску и эксплуатации базовой станции с удаленного компьютера, подключенного к сети Internet, в нашем случае удаленный доступ производится с помощью программного обеспечения Remote Administrator версии 2.0.

Окно ПО TRS представленное ниже, содержит информацию о видимости GPS спутников, отношении сигнал/шум по частоте L1 и L2, азимут и высоту над горизонтом для каждого наблюдаемого спутника, текущие координаты в системе WGS-84, регистрируемые в настоящее время файлы и многое другое.

На рисунке, расположенном ниже, представлена структура хранения файлов, каждый пользователь может по времени создания файла выбрать те данные, которые ему необходимы.

Радиус действия базовой станции

Различные производители GPS оборудования рекомендуют практически одинаковые методики полевых работ, но при этом есть некоторые различия в максимальном удалении от базовой станции, которые надо учитывать для получения заданной точности, в зависимости от типа приемников и компании изготовителя. Для оценки радиуса действия базовой станции, при использовании различных типов GPS приемников, за основу взяты рекомендации компании Trimble по использованию оборудования и наш практический опыт работ с GPS приемниками Trimble. При этом указываемая дальность обеспечивает гарантированный результат и не стремится отобразить максимальный радиус действия.

Радиус действия 15 км (максимум до 20 км) для одночастотных фазовых GPS приемников

Радиус действия 50 км (максимум до 150 км) для двухчастотных фазовых приемников при использовании бортовых эфемерид. При использовании точных эфемерид максимальный радиус действия увеличивается до 2000 км

Радиус действия для кодовых GPS приемников составляет 300 - 400 км

Потенциальные пользователи и перспективы развития

Потенциальными пользователями такого сервиса являются организации проводящие, какие-либо геодезические определения в радиусе действия станции: геодезисты, землеустроители, кадастровые организации, создатели ГИС, строительные управления, проектно-изыскательские предприятия, городские коммунальные службы и т.д. Для получения данных от базовой станции пользователям необходимо иметь лишь подключение к сети Internet.

Преимущества при использовании данных накопленных базовой GPS станцией:

Для тех организаций, кто уже применяет GPS приемники, использование данных базовой GPS станции позволяет отказаться от установки своей локальной "базы" и использовать освободившийся приемник для полевых работ, для комплекта из 2-x приемников GPS производительность увеличивается в два раза.
Для предприятий только планирующих закупку GPS оборудования, стоимость "стартового" комплекта сокращается вдвое.
Данные базовой GPS станции также могут использоваться для увеличения надежности ваших определений, путем включения пункта базовой GPS станции в свою локальную сеть для улучшения её конфигурации.

В том случае, если на базовой GPS станции организован радиоканал передачи дифференциальных поправок в реальном времени (передача также может осуществляться по GSM телефонам), пользователь получает возможность определять точные координаты объекта непосредственно в поле. При этом, радиус зоны приема поправок зависит от мощности базового радиопередатчика, частоты радиопередачи и уровня помех в конкретном районе, а точность определения координат от формата передаваемых поправок RTCM или RTK, типа подвижного приемника и от удаления от базовой станции.