Особенности развития высокоточного спутникового позиционирования в России

Тип:
Добавлен:

Содержание

Реферат

Введение

. Сущность высокоточного спутникового позиционирования

.1 Обзор технологий высокоточного спутникового позиционирования

.2 Области применения технологий высокоточного спутникового позиционирования

.3 Организация систем высокоточного позиционирования

.3.1 Постоянно действующие базовые станции как основа высокоточного спутникового позиционирования

.3.2 Центр управления системы высокоточного спутникового позиционирования

.3.3 Коммуникационные каналы связи в системе высокоточного спутникового позиционирования

. Системы высокоточного спутникового позиционирования в России

.1 Текущее состояние и тенденции развития систем высокоточного спутникового позиционирования в России

.2 Сети постоянно действующих базовых станций в составе сетей специального назначения

.3 Сети постоянно действующих базовых станций в составе государственной геодезической сети

. Сеть станций высокоточного позиционирования Вологодской области

.1 Обоснование необходимости создания системы высокоточного позиционирования на территории Вологодской области

.2 Этапы создания сети станций высокоточного позиционирования

.3 Состав оборудования сети станций высокоточного позиционирования

.4 Особенности предоставления информации сети станций высокоточного позиционирования

.5 Текущие результаты функционирования сети станций высокоточного позиционирования

.4 Возможные направления развития проекта

Заключение

Глоссарий

Список использованных источников

Приложение 1 Схема размещения базовых станций на территории Вологодской области

Приложение 2 Копия свидетельства об утверждении типа средств измерений ГНСС-приемника «ФАЗА+»

Реферат

высокоточный спутниковый позиционирование станция

Выпускная квалификационная работа содержит 78 страниц, 43 рисунка, 7 таблиц, 51 использованный источник, глоссарий, 2 приложения.

СИСТЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО СПУТНИКОВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ, ОСОБЕННОСТИ ИХ ОРГАНИЗАЦИИ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ

Объект выпускной квалификационной работы: сеть станций высокоточного позиционирования Вологодской области.

Цель работы - анализ особенностей функционирования сети станций высокоточного позиционирования Вологодской области

Основными задачами, поставленными при выполнении выпускной квалификационной работы, являлись задачи, связанные с проведением анализа созданной инфраструктуры высокоточного позиционирования на территории Вологодской области, оценка и определение путей повышения эффективности ее применения частными пользователями, органами государственной власти Вологодской области и органами местного самоуправления в интересах социально-экономического развития области.

В процессе работы поставленные задачи решались с применением реферативно-исследовательского метода, метода описательной статистики аналитического метода.

В результате исследования изучена и проанализирована исходная информация для оценки эффективности использования систем высокоточного спутникового позиционирования.

Область применения: в практике геодезического обеспечения кадастровой деятельности, управления земельными ресурсами, современного сельского хозяйства, дорожного строительства, автоматизированного мониторинга сооружений.

Введение

Развитие глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) по пути повышения точности и доступности позиционирования расширяет спектр областей их применения.

Функциональные дополнения ГНСС, предоставляющие услуги высокоточного спутникового позиционирования, успешно используемые за рубежом, сегодня активно развиваются в России, в том числе, и на территории Вологодской области.

В связи с этим, выбранная тема данной выпускной квалификационной работы является актуальной.

Объектом данной выпускной квалификационной работы является сеть станций высокоточного позиционирования Вологодской области.

Предмет работы - процесс функционирования сети станций высокоточного позиционирования Вологодской области.

Методологическую основу выпускной квалификационной работы составляет реферативно-исследовательский метод, который предполагает использование многочисленной информации, метод описательной статистики, аналитический метод.

Цель данной выпускной работы заключается в анализе особенностей функционирования сети станций высокоточного позиционирования Вологодской области,

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

·ознакомиться с основными технологиями высокоточного позиционирования, сферами их применения, организацией систем высокоточного позиционирования, реализующих данные технологии;

·исследовать особенности и тенденции развития систем высокоточного позиционирования в России

·на основе проведенного исследования оценить эффективность использования сети станций высокоточного позиционирования Вологодской области.

Поставленные задачи и сформулированная цель обусловили структуру и внутреннюю логику выпускной квалификационной работы, которая состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников.

1. Сущность высокоточного спутникового позиционирования

.1 Обзор технологий высокоточного спутникового позиционирования

Сегодня можно наблюдать, что технологии на основе глобальных навигационных спутниковых систем (далее также - ГНСС) прочно вошли в повседневную жизнь частных пользователей и профессиональную деятельность организаций (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Основные сферы применения ГНСС [2]

Расширение сфер использования ГНСС связано с тем, что их развитие связано с повышением точности определения пространственного положения пользователей и расширения предоставляемых ими услуг. Можно выделить два направления развития ГНСС:

)модернизация существующих ГНСС (ГЛОНАСС, GPS), создание новых (ГАЛИЛЕО, БЕЙДОУ) и их интеграция;

)развитие функциональных дополнений ГНСС, реализующих методы высокоточного спутникового позиционирования [1].

Ниже приведена таблица 1.1, составленная по данным, взятым с официального сайта Российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) [4]. Из этой таблицы видно, что одновременное использование данных GPS и ГЛОНАСС позволяет повышать точность позиционирования примерно на 20%.

Таблица 1.1

Точность позиционирования с помощью ГЛОНАСС и GPS

ГНССПогрешность по широте, мПогрешность по долготе, мПогрешность по высоте, мСреднее количество космических аппаратовГЛОНАСССреднее значение6,195,7014,458,80Диапазон от мин. до макс.5,34-8,434,30-7,6712,47-22,058-9GPSСреднее значение4,924,4812,9710,80Диапазон от мин. до макс.4,06-6,273,68-6,7011,70-14,8410-11ГЛОНАСС+ GPSСреднее значение4,354,1910,8419,40Диапазон от мин. до макс.3,85-5,783,28-6,519,78-14,6518-20

Для многих задач погрешность определения местоположения объекта в 5-10 метров является приемлемой, но ограничивает применение спутниковых технологий в таких сферах деятельности как точное земледелие, дорожное строительстве и других областях [3].

Дальнейшее увеличение точности позиционирования возможно при использовании функциональных дополнений ГНСС, предоставляющих потребителям дополнительную информацию, позволяющую повысить точность и достоверность определения их пространственных координат [3].

Эта информация доводится до потребителей по специальным каналам связи. Она обычно содержит корректирующую информацию (для устранения или уменьшения погрешностей определения местоположения потребителей) и информацию о целостности ГНСС (для обеспечения достоверности результатов местоопределения) [1].

В зависимости от необходимого уровня точности, можно использовать следующие функциональные дополнения:

-широкозонные системы дифференциальной коррекции, или - дифференциальные ГНСС (далее также - ДГНСС и SBAS);

-глобальные системы дифференциальной коррекции, или - коммерческие дифференциальные ГНСС (далее также - коммерческие ДГНСС);

-локальные и региональные дифференциальные системы, использующие технологию кинематики реального времени (Real Time Kinematic (RTK)) [1].

Дифференциальные ГНСС состоят из сети наземных станций мониторинга и геостационарных спутников, передающих дифференциальные поправки и информацию о целостности сигналов ГНСС пользователям (рисунок 1.2) [3].

Поправки ДГНСС позволяют исправить ошибки позиционирования, вызванные ионосферными и тропосферными искажениями сигнала. Использование ДГНСС доступно без абонентской платы. Приемники с использованием ДГНСС могут достичь уровня точности позиционирования в 30 см [3].

В настоящее время развиваются пять региональных ДГНСС (рисунок 1.3): СДКМ (Россия), WAAS (США), EGNOS (Европа), GAGAN (Индия), MSAS (Япония) [6].

Рисунок 1.3 Зоны покрытия региональных ДГНСС [6]

Коммерческие ДГНСС используют глобальную сеть наземных станций мониторинга и космический сегмент геостационарных спутников с покрытием большей части земного шара. Геостационарные спутники обеспечивают трансляцию дифференциальной информации конечным пользователям по всему миру (рисунок 1.4) [3].

Рисунок 1.4 Зоны покрытия сигналами геостационарных спутников коммерческой ДГНСС «TerraStar» [9]

Коммерческие ДГНСС применяют технологию PPP (англ., Precise Point Positioning - высокоточное дифференциальное позиционирование), которая способна обеспечить точность позиционирования с погрешностью 3-4 см в режиме реального времени и до 1 см в режиме постобработки [1].

Для реализации метода PPP не требуются базовые станции в непосредственной близости от пользователя, необходим только один многочастотный ГНСС-приемник. Дифференциальная поправки предоставляется на основании платной периодической подписки [3].

Один из недостатков коммерческих ДГНСС связан со временем инициализации (временем, необходимым для достижения приемником высокой точности позиционирования), достигающим в некоторых случаях 45 минут [8].

Локальные и региональные дифференциальные системы, реализующие технологию RTK, используют плотную сеть наземных постоянно действующих базовых станций и наземные каналы передачи дифференциальной информации.

В технологии RTK измеряют фазу волны несущей частоты сигнала спутника вместо одного из кодов. Такое решение позволяет достичь уменьшения погрешности измерений до 1-2 см. При этом, время, затрачиваемое приемником пользователя на инициализацию, обычно составляет несколько секунд, что является на данный момент существенным преимуществом технологии RTK перед технологией PPP [10].

Рисунок 1.4 Схема работы RTK [5]

Высокая точность определения координат в режиме RTK достигается при относительно небольших расстояниях между подвижным приемником и базовой станцией (30-50 км), поэтому для применения данной технологии требуется развертывание большого количества базовых станций [5].

В настоящее время, во многих странах мира развернуты сети ПДБС, поддерживаемые как государственными, так и коммерческими организациями, предоставляющими корректирующую и измерительную информацию безвозмездно или по цене, значительно меньшей, чем у сервисов коммерческих ДГНСС [3].

Таблица 1.2 резюмирует основные характеристики выше описанных технологий.

Таблица 1.2

Сравнение технологий высокоточного спутникового позиционирования

Тип технологииМинимальная погрешность определения местоположенияВремя инициализацииСтоимость подписки, руб/годRTK1-2 смдо 1 мин40 000-50 000 (в Вологодской области)Коммерческие ДГНСС> 3-4 смдо 45 мин170 000-180 000 (Leica Smartlink и Trimble CenterPoint RTX для России)ДГНСС> 30 см-бесплатно

Прогноз внедрения данных технологий, взятый из источника [10], и представленный на рисунке 1.5, показывает, что в странах в Европейского Союза и Северной Америки, где рынок услуг высокоточного спутникового позиционирования достаточно развит, технология RTK в ближайшие годы будет все более востребованной.

Рисунок 1.5 Прогноз процентного соотношения использования технологий высокоточного спутникового позиционирования в странах Европейского Союза и Северной Америки [10]

Таким образом, метод RTK наиболее универсален: достижение высокой точности и оперативности позиционирования при небольшой стоимости услуг сервисов по предоставлению корректирующей информации. Поэтому, данная технология становится все более востребованной в различных сферах человеческой деятельности, в которых точное определение местоположения имеет критическое значение.

.2 Области примения технологий высокоточного спутникового позиционирования

Рассмотрим основные сферы применения высокоточного спутникового позиционирования.

Геодезия и кадастр. Использование ВСП (в основном метод RTK) в геодезии и кадастре оптимизирует полевые работы. Главным преимуществом использования сетей ПДБС является возможность выполнения геодезических работ одним приемником, вследствие чего возможна экономия на приобретении дополнительного оборудования, а также снижение временных и транспортных затрат, связанных с установкой и охраной собственной базовой станции.

С использованием сервиса ВСП и определением координат в режиме реального времени повышается оперативность выполнения работ, так как исключается этап постобработки, а время получения точных координат одной точки обычно составляет менее 10 секунд.

Использование технологии RTK позволяет выполнять такие работы, как вынос границ в натуру с помощью ГНСС-оборудования (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 Вынос в натуру границ земельного участка в режиме RTK [5]

Сельское хозяйство. Использование RTK в сельском хозяйстве является одним из самых перспективныхнаправлений применения технологии. Применение высокоточного позиционирования в сельском хозяйстве получило название точного земледелия (Рисунок 1.6). Принцип работы строится на оборудовании сельскохозяйственной техники системой высокоточной навигации, что позволяет управлять ею с точностью в 2,5 см [3].

Использование RТК позволяет:

-рационализировать использование сельскохозяйственных земель;

-осуществлять весь спектр сельскохозяйственных работ с высокой точностью (от посадки до сбора урожая);

-осуществлять работы в условиях плохой видимости (туман, запыленность, в ночное время);

-автоматизировать работу механизатора;

-минимизировать неэффективное использование удобрений [3].

Рисунок 1.6 Оборудование сельскохозяйственной техники системой высокоточной навигации [11]

В целом, точное земледелие позволяет сократить затраты и рационализировать использование ресурсов для сельскохозяйственных организаций [3].

Добыча ископаемых. Системы высокоточного позиционирования используются на разных этапах в геодезических и маркшейдерских работах. Сети постоянно действующих базовых станций позволяют с высокой точностью контролировать такие параметры, как:

-контроль углов, уступов, забоя уступов;

-соблюдение уклонов выработки;

-точность закладки шпуров;

-строгое соблюдение очередности рабочих процессов;

-непрерывность транспортной инфраструктуры [3].

Дорожное строительство. Использование систем высокоточного спутникового позиционирования в дорожном строительстве достигается благодаря оборудованию строительной техникой системами автоматического управления (САУ) и установки специального программного обеспечения. Принцип работы основывается на том, что благодаря уточняющему сигналу становится возможным управлять техникой с сантиметровой точностью (рисунок 1.7) [3].

Рисунок 1.7 Система автоматического управления строительной техникой [12]

Центральный блок управления САУ сравнивает текущее положение рабочего органа машины с цифровой моделью проектного решения и выдает команды на перемещение рабочего органа, автоматически или путем отображения информации оператору. В свою очередь это позволяет сократить ошибки в работе на всех этапах дорожного строительства и увеличить эффективность расходования материалов [3].

Речное и гидротехническое строительство. Речное и гидротехническое строительство таких объектов, как порты, пирсы, каналы, объекты транспортной и энергетической инфраструктуры, требует высокой точности проведения строительных работ. В целом методы использования высокоточного позиционирования аналогичны тем, что используются при обычном строительстве. Однако особое внимание при гидротехническом строительстве уделяется использованию RТК при дноуглублении и строительстве подводных коммуникаций (рисунок 1.8) [3].

Рисунок 1.8 Использование технологии RTK при дноуглубительных работах [11]

Железные дороги. Технологии высокоточного позиционирования используются на железных дорогах, по крайней, мере в двух аспектах. Во-первых, для их строительства, где применяются технологии схожие с обычным дорожным строительством. Во-вторых, для сейсмического мониторинга железных дорог, который используется для раннего оповещения в случае землетрясения [3].

Мониторинг. Еще одной областью применения систем высокоточного позиционирования является мониторинг и раннее предупреждение землетрясений, цунами, оползней, а также мониторинг деформации промышленных объектов (Рисунок 1.9) [3].

Система высокоточного мониторинга смещений сложных инженерных сооружений предназначена для непрерывного контроля смещений и колебаний элементов конструкций мостов, плотин, башен и других сложных инженерных сооружений для ранней диагностики чрезвычайных происшествий [3].

Рисунок 1.9 Автоматизированный геодезический деформационный мониторинг мостового перехода [13]

Таким образом, использование методов высокоточного спутникового позиционирования позволяет значительно расширить спектр областей применения глобальных навигационных спутниковых систем. Наиболее универсальный из них на сегодняшний момент - RTK, реализуется в локальных и региональных дифференциальных системах, называемых также системами высокоточного спутникового позиционирования. Далее будет подробно приведено описание работы этих систем.

.3 Организация систем высокоточного позиционирования

В настоящее время применение технологий и аппаратуры ГНСС для определения точного местоположения, приобретает массовый характер и становится услугой. В связи с этим возникло новое понятие - спутниковая система высокоточного позиционирования, а сервис, предоставляемый оператором сети постоянно действующих станций ГНСС, стали называть сервисом спутниковой системы высокоточного позиционирования [14].

Спутниковая система высокоточного позиционирования (рисунок 1.10) - это сложный комплекс, расположенный на значительной по площади территории и состоящий из нескольких сегментов:

-постоянно действующих базовых станций ГНСС, расположенных равномерно на территории, включающих пилоны, аппаратуру ГНСС, систему непрерывного электропитания и т. д.;

-центра управления системой, ядром которого является сервер с программным обеспечением для контроля управления базовыми станциями, формирования корректирующей информации, передаваемой пользователям;

-каналов коммуникации для связи центра управления с базовыми станциями и потребителями [14].

Рисунок 1.10 Схема работы системы высокоточного спутникового позиционирования [14]

Далее подробно рассмотрим элементы систем высокоточного позиционирования.

1.3.1 Постоянно действующие базовые станции как основа высокоточного спутникового позиционирования

Рисунок 1.11 Постоянно действующая базовая станция [11]

ПДБС устанавливаются в виде одиночных станций или нескольких базовых станций ГНСС, образующих сеть ПДБС (например, спутниковая опорная межевая сеть Кировской области, схема которой представлена на рисунке 1.12).

Рисунок 1.12 Схема спутниковой опорной межевой сети Кировской области [19]

Оборудование ПДБС включает следующие обязательные элементы:

-ГНСС-приемник;

-ГНСС-антенну;

-источник бесперебойного питания;

-средства связи [16].

Наиболее подходящими для использования в качестве ПДБС являются многочастотные мультисистемные ГНСС-приемники. Производители спутникового геодезического оборудования предлагают специально разработанные спутниковые приемники для работы на стационарных базовых станциях (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 Инфраструктурный (стационарный) спутниковый приемник [11]

В ПДБС применяются как стандартные геодезические антенны, используемые на подвижных приемниках, так и антенны особого типа (англ., Choke-ring), снабженные специальным экраном с кольцами для защиты от переотраженных спутниковых сигналов (рисунок 1.14) [17].

Рисунок 1.14 Спутниковая антенна типа Choke-ring [11]

Для обеспечения стабильности положения ГНСС-антенну обычно устанавливают на отдельно стоящем железобетонном пилоне или на стальной трубе, которую жестко крепят на несущей стене здания. Связь антенны с приемником осуществляется посредством проводного соединения с помощью кабеля [17].

Оборудование базовой станции обеспечивается надежным и бесперебойным электропитанием (как правило, от электросети переменного тока). При установке базовой станцию на месте, где отсутствуют электрические сети, используют постоянный автономный источник электропитания (рисунок 1.15) [17].

Рисунок 1.15 Постоянно действующая базовая станция, работающая от автономного источника электропитания [11]

ГНСС-приемник работает автономно, без участия оператора на станции. Управление станцией осуществляется автоматически с персонального компьютера, с помощью специализированного программного обеспечения (рисунок 1.16) [17].

Рисунок 1.16 Программное обеспечение управления базовыми станциями [17]

Программное обеспечение (далее также - ПО) базовой станции осуществляет связь с приемником ГНСС, обеспечивая автоматическую передачу файлов из внутренней памяти приемника на жесткий диск ПК, через заданные интервалы времени или непрерывно [17].

Данные, полученные со станции, могут конвертироваться в формат RINEX, архивироваться и отправляться по электронной почте или выкладываться на FTP-сервер, где обеспечен доступ пользователям для постобработки. Для работы пользователей в режиме реального времени ПО базовой станции формирует дифференциальные RTK и (или) DGPS-поправки в определенном формате и передает эти данные на подключенное к компьютеру (или к приемнику ГНСС) устройство связи [17].

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.