Конспект до теми 8. (Мережі базових ГНСС-станцій)
.pdf1.МЕРЕЖІ БАЗОВИХ СТАНЦІЙ ГНСС
Основою наземної інфраструктури систем точного визначення просторових координат (позиціонування) за допомогою глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС) є постійно працюючі базові станції ГНСС, які часто позначаються абревіатурою CORS. Постійно діючі базові станції GPS, ГЛОНАСС або GPS / ГЛОНАСС встановлюються у вигляді одиночних станцій або декількох постійно працюючих базових станцій ГНСС,
що утворюють мережу.
На ранній стадії розвитку глобальних навігаційних супутникових систем перші постійно діючі базові станції були встановлені вздовж берегової лінії
(рис. 1) для трансляції поправок диференціальної корекції (DGPS), які дозволяли підвищити точність морської навігації за допомогою супутникових приймачів (до 1 м). В даний час базові станції розташовують у різних місцях по всьому світу, і їх кількість постійно зростає. Мережа базових станцій забезпечує єдину просторово-часову геодезичну основу точних і високоточних ГНСС вимірювань, необхідних для широкого спектра прикладних задач.
Мережа постійно діючих базових станцій ГНСС є більш ефективною, ніж традиційні мережі тріангуляційних і полігонометричних пунктів. Базові станції можуть бути встановлені в будь-якому місці, де вони необхідні, так як на відміну від геодезичних пунктів між ними не потрібно наявності прямої видимості. Геометрія мережі не є такою критичною, як у випадку традиційних геодезичних мереж, а точність вище і більш стабільна. Така мережа може бути практично будь-якого розміру.
Мережа, що складається з великого числа постійно діючих базових станцій, буде забезпечувати виконання робіт на більшій території, наприклад,
на території цілої держави. У цьому випадку виконавець може визначити координати свого місця розташування з точністю від одного метра до декількох сантиметрів (рис. 2). Для цього йому необхідно встановити польовий супутниковий приймач в районі робіт, прийняти диференціальні поправки з базової станції (або з сервера мережі), і приймач відразу вирахує координати
1
поточного місця розташування. Такий спосіб супутникових вимірів називається режимом вимірювань в реальному часі (Real Time mode). При цьому поправки можна отримувати по радіоканалу, каналам мобільного зв'язку та через Інтернет.
У регіонах, де ймовірні землетруси, вздовж основних ліній розломів, в
зонах вулканічної активності встановлюють мережі базових станцій для спостережень за деформаціями земної кори. У цьому випадку управління мережею базових станцій виконується сервером з єдиного обчислювального центру. За допомогою спеціалізованого програмного забезпечення сервер здійснює обробку даних, одержуваних з кожної базової станції мережі, і
обчислює координати антен базових станцій, які дозволяють визначити та проаналізувати їх зміщення і деформації. Подібні мережі, але меншого розміру,
використовуються для спостережень за зміщеннями природних об'єктів і споруд, наприклад: льодовиків, зсувів, гребель (рис. 3), мостів, висотних будівель, веж, морських нафтових платформ та ін.
Постійно діюча базова станція (рис. 4) включає в себе приймач ГНСС,
супутникову антену, джерело безперебійного живлення та засоби зв'язку, які встановлюються стаціонарно на спеціально підготовлене місце. Управління роботою приймача ГНСС зазвичай здійснюється комп'ютером, який, як правило, розташований на видаленні від приймача. Приймач ГНСС базової станції працює постійно. «Сирі» дані кодових або фазових супутникових вимірів передаються в пам'ять комп'ютера і записуються у файли певної довжини. Залежно від типу прикладної задачі довжина файлу може бути задана будь-яким необхідним значенням, від декількох хвилин до годин або навіть діб.
Спеціалізоване програмне забезпечення комп'ютера передає файли по каналах зв'язку на FTP сервер для забезпечення користувачам простого до них доступу через Інтернет. Крім того, програмне забезпечення базової станції може обробляти дані приймача ГНСС і видавати диференціальні поправки в різних форматах (наприклад, RTCM). Передача поправок користувачам може здійснюватися з передавача базової станції, розташованого в зручному місці.
Користувачі рухливих приймачів ГНСС при виконанні польових вимірювань
2
можуть отримувати диференціальні поправки по радіоканалах,
високошвидкісним бездротовим мережам (GSM, GPRS, CDMA та ін.) Або через Інтернет. Залежно від режиму вимірювань і необхідної точності визначаються просторових координат відстань користувача від базової станції може бути до
300 км. Однак при видаленні від станції точність погіршується пропорційно відстані. Для вимірювань в режимі реального часу з сантиметровою точністю
(RTK – Real Time Kinematic) видалення від базової станції має бути не більше
25-30 км.
Мережа постійно працюють базових станцій складається з декількох ГНСС приймачів, підключених до сервера по каналах зв'язку (рис. 5). Як канали зв'язку можуть використовуватися комп'ютерні мережі, телефонні провідні лінії, стільниковий зв'язок або глобальна мережа Інтернет. Сервер з програмним забезпеченням для роботи з базовими станціями може керувати однією базовою станцією або мережею базових станцій, що включає кілька сотень приймачів ГНСС. Для управління одиночній базовою станцією комп'ютер часто підключається до приймача безпосередньо. У мережі з великою кількістю базових станцій сервер, як правило, розміщується в єдиному обчислювальному центрі і комутується з приймачами допомогою вищевказаних каналів зв'язку. На сервері заставлено спеціалізоване програмне забезпечення для управління всіма базовими станціями мережі, при цьому для кожного базового приймача окремий комп'ютер не потрібно. Воно дозволяє завантажувати файли супутникових даних приймачів в пам'ять сервера через регулярні проміжки часу. Якщо необхідно, «сирі» дані також можуть передаватися від приймача на сервер постійно, секунда за секундою. Програмне забезпечення сервера конвертує дані в різні формати, наприклад RINEX, і
зберігає їх у вигляді файлів. Файли передаються на FTP сервер для доступу до них через Інтернет. Файли можуть архівувати для зберігання. Одного разу встановлені і сконфігуровані базові станції та мережі з них будуть функціонувати в повністю автоматичному режимі.
Резюмуючи наведене опис, відзначимо наступні головні особливості одиночної постійно діючої базової ГНСС станції.
3
1.Обладнання станції повинно включати приймач ГНСС, супутникову антену, джерело безперебійного живлення, засоби зв'язку, які встановлюють стаціонарно, на спеціально підготовлене місце.
2.Станція працює автономно, без участі оператора на станції. Управління станцією здійснюється автоматично з персонального комп'ютера (ПК), за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення.
3.На станції постійно формуються дані для постобробки результатів вимірювань, виконаних рухливими супутниковими приймачами, а також супутникові диференціальні поправки для отримання користувачами пересувних супутникових приймачів точних просторових координат в режимі реального часу.
4.Дані, що збираються на станції, архівуються на жорсткому диску комп'ютера для подальшої обробки і передачі по каналах зв'язку на FTP сервер для віддаленого доступу користувачів рухливих супутникових приймачів.
5.Станція забезпечує користувачів рухливих супутникових приймачів, що знаходяться в радіусі не більше 25-30 км від базової станції, даними,
необхідними для визначення просторових координат в режимі реального часу, з
сантиметровою точністю RTK (Real Time Kinematic).
1.1. Устаткування для постійно діючої базової станції ГНСС
ГНСС приймачі. Сучасні двочастотні 72 канальні супутникові ГНСС приймачі є найбільш придатними для використання в якості базових станцій,
оскільки вони дозволяють приймати всі типи супутникових сигналів (L1, L2,
кодові, фазові), генерують вихідні дані всіх необхідних форматів (RTK, DGPS,
NMEA) і підтримують вирішення будь-яких завдань. Проте слід мати на увазі,
що різні виробники супутникового геодезичного обладнання пропонують як польові ГНСС приймачі, так і спеціально розроблені приймачі для роботи на стаціонарних базових станціях. Польові приймачі не завжди підходять для створення CORS станції. Для постійно діючої базової станції не настільки критичними є такі характеристики ГНСС приймача, як температурний режим його роботи і захист від пилу і вологи. Але для того, щоб забезпечувати
4
послугами точного визначення просторових координат різних користувачів в один і той же час, краще, якщо приймач може реєструвати дані на великій швидкості, постійно передавати безперервний потік «сирих» даних, а також виводити RTK і DGPS поправки в найбільш широко застосовуваних форматах
(RTCM, Leica, CMR, CMR +). Приймачі, використовувані як базових станцій,
повинні мати відповідні порти для:
-З'єднання з керуючим комп'ютером, на якому працює програмне забезпечення базової станції (COM або Ethernet);
-Підключення комунікаційного пристрою для передачі RTK і DGPS
поправок;
-Підключення основного і резервного джерел живлення;
-Підключення зовнішнього стандарту частоти (якщо необхідно);
-Виведення міток точного часу (PPS);
-Підключення периферійних пристроїв, таких як метеорологічні датчики і датчики нахилу.
Приймач для постійно діючої базової станції повинен володіти можливістю передачі безперервного потоку «сирих» супутникових даних на керуючий комп'ютер, а також мати великий об'єм внутрішньої пам'яті для накопичення даних у разі припинення зв'язку з комп'ютером і можливість автоматичної передачі цих даних при відновленні з'єднання. Одночастотні приймачі мають обмеження по функціональності і не підходять для використання як багатоцільових базових станцій, які потрібні в даний час.
Однак вони можуть бути використані для станцій, які транслюють дані диференціальної корекції (DGPS) для мобільних приймачів, які збирають ГІС інформацію, і навігаційних приймачів. Одночастотні приймачі можна використовувати в межах невеликих, короткобазисних мереж для цілей моніторингу об'єктів, але переважно і в цьому випадку застосовувати двочастотні приймачі.
ГНСС антени. Якщо постійно діюча базова станція є частиною державної геодезичної мережі першого порядку, необхідно використовувати антени
5
особливого типу (Chokering) Dorne&Margolin, забезпечені спеціальним екраном з кільцями для захисту від перевідбиттів супутникових сигналів (рис. 1). Будь-
які базові станції, які формують всесвітню міжнародну мережу IGS, так само,
як правило, вимагають використання таких антен. Вони відрізняються високою стабільністю фазового центру, зниженням багатошляховості до незначного рівня і дозволяють гарантувати високу якість отримуваних даних. Для одиночних базових станцій і для базових станцій в мережах, призначених, в
основному, для цілей топографічної зйомки та забезпечення будівництва, і
передають дані рухомим приймачів, що працюють в режимі реального часу,
цілком підходить стандартна геодезична антена, яка використовується на рухомому приймачі, якщо вона забезпечує гарна якість збору даних.
Стандартна геодезична антена достатня для більшості додатків і може бути значно дешевше Сhokering антени. Антени типу Сhokering звичайно зверху закриваються куполом з радіопрозорого матеріалу (пластика) для захисту від опадів і різного сміття.
Кріплення антени. Антена постійно діючої базової станції повинна бути нерухома, оскільки просторове положення її фазового центру буде вихідним при визначенні та завданні координат базової станції. Отже, антена повинна бути жорстко закріплена на місцевості на твердій основі. Використання стандартного дерев'яного або геодезичного штатива при цьому не бажано.
Зазвичай антену встановлюють на окремому залізобетонному пілоні (рис. 2) або на сталевій трубі, діаметром не менше 10 см, яку жорстко кріплять на несучій стіні будівлі, на його даху (рис. 3). У верхній частині пілона або труби повинна бути мелевих пластина з виступаючим гвинтом для примусового кріплення антени.
Антенні кабелі. Якщо установка ГНСС антени базової станції передбачена на великій відстані від приймача, наприклад, на даху будівлі, то буде потрібно довгий кабель. Існують антенні кабелі довжиною 10, 30, 50 м і більше. Чим довше кабель, тим більше його товщина для мінімізації втрати сигналу, і тим
6
важче і більш громіздким він опиняється. Тому, чим коротше кабель, тим краще. У випадку, якщо довжина кабелю більше 50 м, залежно від його марки,
може знадобитися підсилювач сигналу, який встановлюється на стику кабелів,
що утворюють загальну лінію. Однак, за можливості, необхідно уникати використання наддовгих кабелів і намагатися встановити приймач якомога ближче до антени.
Джерела електроживлення. Устаткування базової станції вимагає надійного і безперебійного електроживлення. При підключенні до електромережі змінного струму (220 В), як правило, використовується AC-DC
адаптер. У разі припинення подачі електроенергії змінного струму або її аварійного відключення, повинен бути передбачений резервний джерело електроживлення. Оскільки раптове припинення подачі електроживлення на обладнання базової станції може вивести її з ладу, і виконавці в полі будуть змушені припинити роботи. Користувачі, які платять за послугу і дані, що надаються з постійно діючою базової станції, навряд чи будуть задоволені перебоями в роботі базової станції. Тому на постійно діючій базової станції обов'язково повинен бути передбачений резервний джерело електроживлення.
Для одиночної базової станції резервне джерело електроживлення може бути загальним для комп'ютера і приймача. При забезпеченні роботи базової станції протягом обмеженого періоду часу (при аварійному відключенні електромережі) використовується джерело безперебійного живлення (UPS). Ці джерела можуть бути різного типу і різної ємності. Чим більше місткість, тим довше джерело може підтримувати устаткування в робочому стані. Слід мати на увазі, що сучасні ГНСС приймачі, використовувані на базових станціях,
мають функцію автоматичного перезапуску, як тільки електроживлення відновлюється. Для більшої надійності можна передбачити установку резервного джерела живлення окремо для приймача і комп'ютера. Якщо відключити живлення тільки біля комп'ютера, приймач будуть продовжувати працювати в нормальному режимі, т. Е. Реєструвати дані і, якщо він відповідним чином налаштований, передавати дані RTK і DGPS. Іноді виникає
7
необхідність встановити базову станцію на місці, де відсутні електричні мережі. У цьому випадку потрібен постійний автономне джерело електроживлення, який вибирають виходячи з конкретних місцевих умов.
Наприклад, в районах з жарким кліматом можуть бути використані сонячні батареї.
Захист від блискавок і гроз. Якщо базові станції встановлюють в регіоні,
де часто бувають грози, рекомендується захищати обладнання станції від попадання блискавок. Захист може бути забезпечений за допомогою громовідводу або громовідводу. На високих будинках, як правило,
встановлюють громовідводи. Вони зазвичай складаються з одного або більше металевих стрижнів, з'єднаних за допомогою товстої мідної стрічки, нижній кінець якої вкопаний в землю. Спеціальний блискавковідвід повинен бути встановлений поруч із супутниковою антеною. Для того, щоб не заважати проходженню супутникових сигналів, стрижні блискавковідводу не повинні бути занадто високими. Одне з можливих рішень може включати чотири невеликих стрижня, встановлених з чотирьох сторін від антени так, щоб вони не піднімалися вище 10 0 над горизонтом. Якщо антена встановлюється на будинку, її блискавковідвід повинен бути пов'язаний з блискавковідводного системою будівлі та заземлений (ці роботи повинні виконувати фахівці). Під впливом електромагнітних полів, що виникають під час грози, в антенному кабелі може з'явитися електричний струм і пошкодити приймач базової станції.
Для захисту приймача використовується грозовий розрядник, який повинен бути розміщений в антенному кабелі, між антеною і приймачем, і заземлений.
Якщо антена знаходиться на будівлі, грозовий розрядник повинен бути з'єднаний з блискавковідводного системою будівлі та заземлений. Грозовий розрядник захищає приймач і все обладнання, яке до нього підключено
(наприклад, комп'ютер), від сплесків напруги, окрім супутникової антени.
Метеорологічні датчики. Затримка супутникових сигналів в атмосфері дає важливу інформацію для метеорологів. Деякі організації за кордоном, які є
8
операторами базових станцій, постачають дані метеорологічним службам. Ці дані використовуються при підготовці прогнозів погоди і вивченні кліматичних явищ. Для отримання таких даних зазвичай потрібно з'єднати метеорологічний датчик з приймачем ГНСС на базовій станції. Метеорологічний датчик визначає температуру, вологість і тиск. Ці дані записуються спільно з супутниковими вимірами в ГНСС приймач. Програмне забезпечення на сервері завантажує їх і трансформує метеорологічні дані в формат RINEX.
Датчики нахилу. Періодично потрібно перевіряти координати базової станції (просторове положення антени). Зазвичай це робиться за результатами обробки поста ліній від базової станції до опорних пунктів, до яких здійснена геодезична прив'язка антени базової станції. Добре, якщо антена встановлена на даху будівлі, на невисокому пілоні з фундаментом, який не відчуває деформації. Однак, якщо антена встановлена на високому пілоні або сталевій трубі, її положення в просторі може з часом змінюватися, із за щоденних деформацій внаслідок температурних коливань, тиску вітру та ін. Чим вище підстава, на якому встановлюється антена, тим більш імовірним є поява у неї нахилу. Для визначення нахилу підстави антени на ньому закріплюють датчик нахилу, який з'єднують з приймачем ГНСС. Електронний двовісний датчик
(рис. 4) вимірює нахил по двох площинах і передає отримані значення в цифровому вигляді в пам'ять приймача ГНСС, де вони записуються спільно з
«сирими» супутниковими даними і можуть бути внесені в RINEX файл. Ці дані потім аналізуються для визначення нахилу підстави, на якому встановлена антена.
9