Glava_8_9_10

- 68 -

Глава 8. Использование региональных и глобальных дифференциальных подсистем для геодезического и гидрографического обеспечения работ на морских месторождениях

8.1. Дифференциальная подсистема OmniStar

Компания OmniStar является мировым лидером в области предоставления услуг высокоточного DGPS сервиса с передачей дифференциальных поправок по спутниковым каналам. Компания OmniStar является подразделением корпорации Fugro головные офисы которой расположены в Нидерландах, США и Австралии. 160 компаний, входящих в корпорацию Fugro, находятся более чем в 40 странах мира и представляют свои интересы в области геодезических работ, высокоточного местоопределения и геоинформационных технологий как для наземного, так и морского применения.

OmniStar предоставляет коммерческие услуги спутникового DGPS сервиса по всему миру и является лидером в области разработки и реализации технологии DGPS позиционирования.

Компания OmniStar, имея в своем составе 85 наземных базовых станции, 3 центра загрузки данных на спутники и 2 контрольных центра глобальной сети, а также использует 10 геостационарных спутников связи , обеспечивая надежный и высокоэффективный сервис для всей

геостационарных спутников, любой пользователь может воспользоваться этими услугами, оформив специальную подписку. Дифференциальная подсистема передачи поправок по спутниковому каналу OmniStar является уникальной и автоматически генерирует высокоточные дифференциальные поправки от текущего местоопределения пользователя. Этот метод расчетов известен под названием – метод Виртуальной базовой станции (VRS). Эта методика является более точной, чем например, формирование дифференциальных поправок от одиночной базовой станции или от виртуальной базовой станции с фиксированной позицией.

Сеть базовых станций OmniStar используется для определения ошибок, вносимых в сигналы спутников GPS атмосферой, орбитальными эффектами, неточностью часов приемника и т.д. Данные, накопленные сетью базовых станций, передаются в Контрольный центр Сети, где производится их проверка на целостность и достоверность, затем информация загружается на геостационарные спутники, которые ретранслируют ее на покрываемые области. Эта процедура обеспечивает то, что дифференциальные поправки, рассчитанные для определенной территории, будут мгновенно доступны пользователям наземных приемников. Приемник пользователя, обработав полученные данные, вычисляет наиболее достоверное местоопределение. При оформлении подписки, пользователю необходимо уточнить расстояния от района работ до ближайшей базовой станции. Используемая методика позволяет рассчитать поле поправок, задав весовую оценку для каждой базовой станции как функцию расстояния до района работ. В результате будет получен один набор дифференциальных поправок, оптимизированный под конкретную территорию. Оптимизированные дифференциальные поправки вычисляются на каждый момент приема данных от сети базовых станций до спутника. Это делает сервис OmniStar

- 69 -

наиболее подходящим как для статических, так и для динамических режимов местоопределения. Варианты подписки на услуги дифференциального сервиса OmniStar VDS:

Континентальная VDS: Сигналы покрывают всю территорию выбранного континента, например Европу.Региональная VDS: сигналы покрывают всю территорию выбранного региона или страны.

Сферы применения дифференциального сервиса OmniStar включают: сбор данных для ГИС; топографические съемки, сельскохозяйственные работы; картографирование и маркировка границ; поиск и спасение; системы позиционирования и слежения за транспортными средствами; различные военные применения;

инвентаризация имущества; авиация; аэрогеофизические изыскания; фотограмметрия и специальные гидрографические работы в прибрежной зоне моря, в первую очередь обеспечения дноуглубительных работ и строительства гидротехнических сооружений.

Преимущества при использовании VBS:

-VBS обеспечивает надежность и высокую точность определения координат для обширных областей;

-VBS это высокоэффективная методика (она базируется на множественных референцных станциях);

-не происходит «скачков» позиции обусловленных переключением с одной базовой станции на другую.

-глобальное спутниковое покрытие.

Обеспечение пользователя услугами OmniStar реализовано на основе нескольких геостационарных спутников, формирующих несколько «пятен» глобального спутникового покрытия. Таким образом, приемник пользователя может декодировать сигналы OmniStar практически в любой точке земного шара.

Пользователи услуг OmniStar по своему выбору могут оформить подписку на один или несколько месяцев при выполнении краткосрочных работ. В том случае, если необходимо выполнять работы длительное время, то можно оформить подписку на год или несколько лет. К тому же, если для ваших задач подписка необходима на короткое время, то вы можете заказать почасовой сервис OmniStar (как минимум 150 часов). Оплаченная за подписку сумма пересчитывается в часовой эквивалент и закрепляется за зарегистрированным вами устройством (приемником). Расход средств происходит только тогда, когда ваш приемник включен и принимает поправки по спутнику OmniStar, при этом осуществляется посекундная тарификация.

В добавлении к безусловной надежности технологии VBS:

-все базовые станции имеют дублированный канал связи с соответствующим Контрольным Центром сети. Основной канал связи реализован на основе выделенной линии, запасной канал связи – на основе dial up соединения;

Основной и вспомогательный спутниковый сервис покрывает большинство территорий по всему миру, где происходит какая-либо жизнедеятельность. Приемники способны принимать сигналы OmniStar, имеют функцию автоматического переключения на дополнительный (запасной сервис), а в том случае, если по каким либо причинам, одна из базовых станций перестанет функционировать, то это окажет лишь незначительное влияние на суммарную точность системы.

- 71 -

сервиса, предоставляемого морскими радиомаяками. Согласно исследованиям фирмы НавГеоКом при использовании СНА Ag GPS 132 , имеющей встроенный приемник дифференциальной поправки , обеспечивает точность определения планового положения (1σ) 0.2- 0.4 м., в то время, как при использовании дифференциальной коррекции по сигналам морских маяков на расстоянии 100-150 км. от базовой станции обеспечивается точность: 0.8 – 2.5 м. Точность, кроме того, зависит от качества СНА. Для аппаратуры фирмы Trimble, работающей в дифференциальном режиме по сигналам морских маяков, фирма НавГеоКом приводит данные по точностным характеристикам, приведенные в таблице 8.1.

Указанные точности являются предельными для одноканальной спутниковой аппаратуры, в которой учет влияния ионосферной рефракции выполняется с использованием уточненных параметров модели ионосферы Земли.

Использование дифференциальной подсистемы передачи поправок по спутниковому каналу OmniStar с 2006 г. ограничено расстоянием до 0.2-0.3 км. от береговой полосы. При удалении от берега на большие расстояния прием дифференциальной поправки блокируется и вновь возобновляется при приближении к берегу. Указанной особенности лишена дифференциальная подсистема передачи поправок по спутниковому каналу Starfix, специально предназначенная для морского использования.

Внастоящее время развивается новые высокоточные варианты дифсервиса OmniStar:

¾HP сервис - сантиметровая точность обеспечивается на территории Западной и Восточной Европы, посредством передачи RTK поправок, определенных на основе

сети базовых станций с установленными на них 2-х частотными приемниками типа

Trimble MS 750.

¾ XP сервис – новый (2005) высокоточный сервис, обеспечивающий точность 0.1 м (95%) за счет совершенствования программного обеспечения, обеспечивающего выработку поправок к временной шкале каждого спутника Навстар и использования точных эфимирид в реальном масштабе времени (по аналогии с технологией C-Nav-

см.п.8.4.)

Двухчастотная спутниковая аппаратура OmniStar HP, обеспечивающая работу с РДПС OmniStar HP представлена на

Рис.8.3. Двухчастотная спутниковая рис.8.3.

аппаратура OmniStar HP.

-73 -

С2001 года, ЗАО «Сварог» оказывает услуги по региональному дифференциальному

позиционированию. Введены в действие 3 ККС (контрольно-корректирующие станции) РДПС (региональной дифференциальной подсистемы) «Starfix»: «Астрахань», «Ноглики» и

Стандартный дифференциальный сервис обеспечивает получение в режиме реального времени плановых координат подвижных морских объектов с точностью 2-5 метра (2 s) на удалении до 2000 километров от ККС.

Точный дифференциальный сервис обеспечивает получение в режиме реального времени

Рис. 8.5. Стандартный дифференциальный сервис Starfix на территории России

Графическое представление точность стандартного сервиса Starfix показано на рис.8.6., а полные точностные характеристики выдаваемые специальной программой «Ashtech Evaluate»» (фирма «Ashtech»), показаны в окне программы, представленном на рис.8.7.

-74 -

8.2.2Дифференциальная подсистема передачи поправок по спутниковому каналу SeaStar Новый высокоточный сервис SeaSTAR, являющийся разновидностью Starfix, доступен для

морского и наземного использование в следующих вариантах:

zSeaSTAR HP

zSeaSTAR XP

zSeaSTAR Plus

zSeaSTAR DGNSS

zSeaSTAR VBS (Virtual Base Station).

Основное морское применение – высокоточное динамическое позиционирование специальных судов при работах в дальней морской зоне

8.2.2.1.Сервис SeaSTAR HP доступен с 2001 года и обеспечивает дециметровый уровень точности:

z плановое положение: 0.20 м. (95%); z высотное положение: 0.30 м. (95%).

Используется кодово-фазовая двух частотная СНА различных фирм. Сервис доступен с Мексиканском заливе, северо -западной Европе и Персидском заливе.

8.2.2.2.Новый сервис SeaSTAR XP и обеспечивает дециметровый уровень точности на основе

использования фазовой двухчастотной СНА Концепция SeaSTAR XP заключается в использовании всемирной сети референцных станций, на которых выполняется вычисление более точных орбит и поправок бортовых шкал НИСЗ, которые передаются пользователю.

8.2.2.3. Сервис SeaSTAR Plus доступен с 1999 года и обеспечивает метровый уровень точности с использованием кодовой двухчастотной СНА, устраняющей ионосферные возмущения, особенно в экваториальных районах. Цикл солнечной активности, вызывающий возмущения ионосферы составляет 11 лет и пик приходился на 2001 год.

8.2.2.4.Сервис SeaSTAR DGNSS обеспечивает метровый уровень точности с использова-нием кодовой одночастотной двухсистемной СНА (Навстар\Глонасс). Совместное применение Навстар\Глонасс позволяет увеличить количество одновремено наблюдаемых НИСЗ до 12-14, повышая точность и надежность определения местоположения

8.2.2.5.Сервис SeaSTAR VBS обеспечивает метровый уровень точности с использованием кодовой одночастотной СНА при условии указания пользователем своего положения. Сервис возможен в обширном районе и обеспечивает стабильную точность и высокую надежность местоопределения (фактически аналог OmniSTAR для моря).

Спутниковая аппаратура для работы с различными вариантами сервиса РДПС SeaSTAR приведена в таблице 8.1.

- 75 -

Таблица 8.1.

На рис.8.8. представлена аппаратура 8300 НР двухканальная СНА с кодовой и фазовой обработкой. Имеет 4 порта для выдачи данных по протоколу RTCM, внутренне программное обеспечение, позволяющее рассчитываю координаты и получать оценку их качества.

Рис.8.8. Аппаратура 8300 НР для работы с сервисом SeaSTAR VBS и SeaSTAR НР

8.3. Глобальная сетевая дифференциальная система C-NAV 8.3.1. Обзор сети формирования и передачи поправок.

Система передачи поправок глобального действия получившая наименование C-NAV или StarFire WADGPS (Wide Area dGPS) сформировалась в результате объединения региональных сетей формирования дифференциальных поправок, которые обеспечивали службу высокой точности в независимых континентальных районах, в единую глобальную сеть, предлагающую беспрецедентный уровень точности определения положения. Эта глобальная сеть обеспечивает в реальном масштабе времени постоянную субдециметровую точность практически на всей поверхности Земли.

Служба формирования поправок основана на технологии, называемой Real Time GIPSY(RTG ), разработанной в Лаборатории Реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory =JPL) для

NASA (National Aeronautics and Space Administration).

Имеется несколько ключевых особенностей, обуславливающих чрезвычайно высокую точность и надежность (живучесть) сетевой системы:

•выполнений GPSизмерений в глобальной сети референцных станций с помощью двухчастотной спутниковой аппаратуры;

•высокоточные вычисления орбит навигационных спутников Навстар с использованием технологии разработанной в JPL;

•моделирование всех существенных источников погрешностей системы;

•использование высокоточной двухчастотной мобильной аппаратуры;

•применение избыточных измерений, схем вычислений и каналов связи.

Комбинация этих условий обеспечивает возможности получения объединённой, глобальной, надежной системы определения положения в реальном времени.

На рис.8.9. показана структура глобальной сети системы StarFire WADGPS (C-NAV).

-76 -

Вконцептуальном плане она аналогична такой широкозонной дифференциальной подсистеме (ШДПС), как WAAS, EGNOS, MSAS. Однако, есть существенное различие, заключающееся в использование как на дифференциальных станциях сети, так и пользователями двухчастотных приемников. Это позволяют радикально снизить влияние эффекта ионосферной рефракции и отказаться от использование моделей рефракции, которые лишь частично являются эффективными. Влияние на точность определение положения оказывается существенным.

Имеется семь главных компонентов сети системы:

• референцная сеть – спутниковые приемники на референцных станциях сети, которые постоянно обеспечивают первичными данными спутниковых измерений сетевые концентраторы (сетевые аппаратные узлы) для их последующей обработки. Эти результаты наблюдений включают двухчастотные кодовые и фазовые измерения, эфемериды и другую необходимую информацию.

• сетевые концентраторы обработки (Processing Hubs)- это оборудование на котором осуществляется обработка всех данных с целью расчета дифференциальных поправок. Имеется два пространственно распределенных, независимых сетевых концентратора, работающих параллельно, каждый из которых получает полный объем данных от всех дифференциальных станций сети и выполняет вычисление дифпоправок, которые затем по линиям связи передаются

на специальные станции, осуществляющие их передачу на спутники (связи). Сетевые концентраторы являются также центрами управления сети (control centers for Network) откуда операторы контролируют ее работу. В помощь оператору имеется система предупреждений (Alerts System), которая дает рекомендации при возникновение нештатных ситуаций, с тем, чтобы были вовремя предприняты необходимые действия.

•Линии связи – обеспечивают надежную передачу результатов наблюдений и поправок. Используется большое разнообразие линий связи с целью обеспечения надежности доставки инфор-мационных потоков данных от станций сети в сетевые концентраторы обработки, а также передачи поправок в наземные центры загрузки данных на спутники связи (Land Earth Stations =LES).

•Наземные станции загрузки данных (Land Earth Stations) - содержат оборудование,

обеспечивающее загрузку на геостационарные спутники связи дифференциальных поправок, рассчитанных на сетевые концентраторы обработки. Сетевым оборудованием в наземных центрах загрузки данных принимается решение о том, какой их потоков данных дифпоправок является наилучшим и должен быть загружен на спутник связи.

•Геостационарные спутники – используются для передачи поправок пользователям путем передачи по радиоканалу в длинноволновом диапазоне (L-band broadcast). Для практически полного покрытия поверхности Земли используются три геостационарных спутника (непокрытыми геостационарными спутниками остаются районы к северу от 76° с.ш. и к югу от параллели 76° ю.ш.)

•Контрольные станции (мониторы) – аппаратура пользователей, рассредоточенная по всей поверхности Земли в известных точках , использует для передаваемые поправки для вычисления своего положения и передачи по линиям связи на сетевые концентраторы обработки навигационных данных в реальном масштабе времени. Мониторы используются сетью для постоянно контроля за работой системы и осуществления автоматической обратной связи при

- 77 -

возникновение каких либо проблем с точностью. Мониторы должны эксплуатироваться как полевое оборудование.

• аппаратура пользователей – использует принимаемые поправки и GPS наблюдения для получения высокоточной навигации. Аппаратура пользователей двухчастотная, что обеспечивает устранение эффекта ионосферы и объединяет дифференциальные поправки с GPS наблюдениями, используя фильтрацию Калмана.

Все сказанное проиллюстрировано на рис.8.9. и далее будет рассмотрено более детально. Важно отметить, что сеть спроектирована таким образом, чтобы иметь как можно меньше возможных точек неисправности. Архитектура сети высоко избыточна, что необходимо для обеспечения ее надежной работы.

Рис.8. 9. Общий вид сети StarFire системы WADGPS

8.4.2.Эволюция сети.

В своем первоначальном виде сеть предоставляла ряд дифференциальных решений в широких региональных взаимно независимых зонах. Такая система была основана на технологии,

разработанной в NavCom ( получившей наименование: WCT= Wide area Correction Transform).

Региональная сеть референцных станций была установлена с Северной и Южной Америки, Европе и Австралии. Была разработана технология сглаживания, которая устраняла или значительно умень-шала два главных источника погрешностей широкозонной дифференциальной системы: эффекты ионосферной рефракции и многолучевости. Использование двухчастотной спутниковой аппаратуры позволило также сократить число референцных станций, необходимых для достижения высокой точности. На территории США используется только восемь референцных станций сети (WCT), пять станций сети в Австралии, четыре сетевых станции в Европе и три станции в Южной Америке.

Каждый спутниковый приемник на сетевой референцной станции посылает для каждого видимого спутника Навстар по наземным линиям связи на каждый из двух сетевые концентраторы обработки следующую информацию:

•наблюденные данные по каждой из двух частот, включающие: псевдодальность по CA-коду, фазу несущей частоты L1, псевдодальность по P-коду, фазу несущей частоты L2 для каждого из спутни-ков Навстар, отслеживаемых приемником референцной станции, с частотой 1 Гц.

•записи передаваемых спутником Навстар эфемерид, зарегистрированные приемником референцной станции в реальном масштабе времени.

При обработке этой информации сетевые концентраторы обработки используют также следующую информацию: