С развитием Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) появились различные методы спутниковых определений с помощью сигналов ГНСС. Кроме абсолютного метода, широко используемого в навигации, также используются относительные методы, которые позволяют существенно повысить точность определения местоположения объектов на Земле, которая необходима в таких областях , как например геодезия, топография, маркшейдерия, кадастр, геодинамика, мониторинг деформаций объектов и сооружений.

Постоянная потребность в использовании относительных спутниковых методов определения координат объектов в этих областях деятельности привели к созданию постоянно-действующих систем точного позиционирования. Традиционные спутниковые методы относительных определений, основанные на принципе дифференциальной коррекции, подразумевают применение минимум двух комплектов ГНСС аппаратуры, один из которых является опорным (базовым, референцным), а другой перемещаемым (подвижным). Опорный ГНСС приемник устанавливается на опорном геодезическом пункте или на точке, которую считают за исходную. Установленный стационарно на исходной точке (опорном пункте) комплект ГНСС приемника, необходимого для формирования спутниковой корректирующей информации, называют спутниковой дифференциальной станцией. Подвижный приемник,  используемый для определения местоположения точек интересующих объектов, называют ровером. При применении относительных методов спутниковых определений предельно допустимое расстояние до дифференциальной станции ограничено и оно обусловлено характеристиками спутниковой аппаратуры на станции и на ровере, методиками и условиями выполнения спутниковых измерений. Если в процессе работы требуется определить местоположение точек объектов, находящихся за пределами рабочей зоны дифференциальной станции, то станцию переносят ближе к объекту на другую опорную (исходную) точку.  На территориях, где постоянно выполняются спутниковые определения, съемки на местности, вместо переносных полевых дифференциальных станций устанавливаются и используются постоянно действующие спутниковые дифференциальные станции. Несколько постоянно установленных дифференциальных станций образует сеть. Создаваемая наземная инфраструктура на основе сетей или одиночных постоянно действующих дифференциальных станций, включающая спутниковые ГНСС приемники, средства коммуникаций, программное обеспечение, компьютерное оборудование, позволяет обеспечивать получение пространственных координат с точностью до миллиметров на обширных площадях. Она масштабируема, функционально дополняема и более надежна, чем традиционные спутниковые средства измерений и навигации.

При создании систем точного позиционирования применяются специально разработанные модели ГНСС приемников и программного обеспечения для обеспечения дифференциальными поправками от одиночной станции или для создания сети дифференциальных станций и регионального сервиса точного позиционирования на обширных площадях. Также мы используем новейшие самые современные средства коммуникации и связи.

Дифференциальная геодезическая станция — электронное устройство, размещенное на точке земной поверхности с определенными координатами, выполняющее прием и обработку сигналов спутниковых навигационных систем и обеспечивающее передачу информации, необходимой для повышения точности определения координат в результате выполнения геодезических работ с использованием спутниковых навигационных систем.
(Федеральный закон от 30.12.2015 N 431-ФЗ (ред. от 03.07.2016) «О геодезии, картографии и пространственных данных и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»)

Постоянно действующая спутниковая дифференциальная (опорная, базовая, референцная, геодезическая) станция — спутниковое геодезическое оборудование, установленное стационарно на специально подготовленное место и имеющее координатное описание в пространственной системе координат, постоянно и непрерывно принимающее и ретранслирующее сигналы ГНСС. Спутниковые дифференциальные станции удаленно управляются специальным программным обеспечением, которое формирует дифференциальные поправки для работы в режиме RTK и данные для постобработки для передачи потребителям по различным каналам связи.
(от автора)

Спутниковые постоянно действующие дифференциальные станции

Постоянно действующая спутниковая дифференциальная станция – аппаратно-программный комплекс, предназначенный для обеспечения выполнения измерений и определения пространственного местоположения объектов путем предоставления информации для коррекции данных, получаемых с помощью ГНСС приемников, включающий спутниковое, коммуникационное, компьютерное и другое, оборудование, специализированное программное обеспечение, установленное в районе выполнения работ, установленное на постоянной основе и функционирующее непрерывно.

Постоянно действующая дифференциальная станция включает в себя ГНСС приемник, спутниковую антенну, источник бесперебойного питания, средства связи, системы грозозащиты и молниеотводы которые устанавливаются стационарно на специально подготовленное место. Спутниковая антенна дифференциальной станции жестко крепится на верху специального пилона, установленного на неподвижном основании аналогично пунктам геодезической основы. Координаты антенны определяются относительно геодезических пунктов в общеземной системе координат с параметрами перехода в местную (локальную) систему координат. Таким образом, спутниковая дифференциальная станция является носителем системы координат на местности, как традиционные геодезические опорные пунктами.

Дифференциальная станция может управляться автоматически и контролироваться удаленно с персонального компьютера (сервера) и специализированного программного обеспечения. Она может работать автономно, без участия оператора. Станция может формировать спутниковые данные для последующей обработки с данными полевых спутниковых измерений, а также спутниковые дифференциальные поправки для получения пользователями роверов для определения точных пространственных координат в режиме реального времени.  Данные для постобработки могут архивироваться на жесткий диск компьютера дифференциальной станции и передаваться по каналам связи на FTP-сервер для удаленного доступа. Пользователи подвижных приемников могут получать дифференциальные поправки по радио каналам, высокоскоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA, WiFi и др.) или через сеть Интернет.

Постоянно действующие спутниковые дифференциальные станции устанавливаются в местах с наиболее благоприятными условиями приема спутниковых сигналов и в радиусе своей работы надежно обеспечивают корректирующим данными переносные ГНСС приемники пользователей 24 часа в сутки, 365 дней в году. Одна дифференциальная станция обеспечивает определение пространственных координат в режиме реального времени с сантиметровой точность в радиусе не более 25-30 км. Принципиально удаление ровера от дифференциальной станции может быть большим, например 300 км. Несколько постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций, объединенных в сеть, могут обеспечивать работу на гораздо большей территории.

Преимущества постоянно действующей дифференциальной станции перед полевой спутниковой станцией:

  • Непрерывная и постоянная работа 365/24/7
  • Наилучшее расположение дифференциальной станции
  • Постоянные опорные координаты
  • Формирование спутниковых поправок RTK и DGPS с передачей их по каналам по радио, GSM или Интернет
  • Автоматическое создание RINEX данных для постобработки
  • Спутниковые поправки для RTK и DGNSS

Состав системы постоянно действующей станции (сети станций) может быть различным в зависимости от ваших потребностей.  Например, возможны три варианта создания системы позиционирования на основе одной дифференциальной станции:

  1. Самый простейший вариант постоянно действующей одиночной дифференциальной станции с возможностью записи данных для постобработки с данными полевых роверов.
  2. Постоянно действующая дифференциальная станция под управлением внешнего программного обеспечения с возможностью записи данных для постобработки с данными полевых роверов и формирования RTK поправок.
  3. Сеть постоянно действующих дифференциальных станций под общим управлением и формированием разнообразного сервиса.

Для начала вы можете установить одну дифференциальную станцию в самой простейшей комплектации для накопления данных для постобработки с данными полевых роверов. Вы сразу начнете использовать все преимущества постоянно действующей станции. В дальнейшем Вы сможете постепенно инвестировать средства в развитие сети дифференциальных станций и сервиса точного позиционирования, по шагам наращивая функции в соответствии с ростом ваших потребностей.

Региональные сети спутниковых дифференциальных станций

Сеть дифференциальных станций – совокупность постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций, установленных на местности по определенной схеме, относительное положение которых определено в единой системе координат, объединенные каналами коммуникаций для сбора и обработки спутниковых данных в едином центре, так что бы обеспечивать выполнение измерений и определение пространственного местоположения объектов на обширной площади с одинаковой точностью и в единой системе отсчета времени и пространства.

Сеть постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций по сравнению с одиночными базовыми станциями обладает преимуществами в том, что она имеет большую площадь покрытия и обеспечивает единую и высокую точность за счет возможности построения локальной модели ошибок, включающей задержки сигналов ГНСС в ионосфере и тропосфере и формирования сетевых дифференциальных поправок на зону покрытия.

Одна дифференциальная станция обеспечивает определение пространственных координат в режиме реального времени с сантиметровой точность в радиусе не более 25-30 км. Принципиально удаление ровера от дифференциальной станции может быть большим, например 300 км. Однако при удалении от станции точность позиционирования ухудшается пропорционально расстоянию. Сеть дифференциальных станций может покрыть большую площадь, чем больше станций, тем больше площадь покрытия. Для устранения проблемы получения точных и надежных результатов на удалении станции устанавливают плотно с перекрытиями рабочих зон.

В целях исключения ошибок, вносимых искажениями в атмосфере, а также нарастающей погрешности от удаления от ближайшей станций создается реально-временная модель ошибок и корректирующих поправок на основе данных нескольких станций и знаний об их точном положении. Такая модель подразумевает совместное уравнивание данных со всех станций и вычисление поля дифференциальных поправок на всю территорию покрытия сети. Благодаря сетевому способу формирования дифференциальных поправок пользователь может надежно получать координаты на удалениях от станции до 50 км, а расстояние между станциями может быть до 80 км. При этом обеспечивается одинаковая точность по всей области покрытия.

Контроль работы нескольких дифференциальных, расположенных на обширной территории, эффективней осуществлять с единого центра управления. Таким образом, данная структура представляет собой сеть дифференциальных станций, единообразно управляемая для создания единого поля корректирующих поправок всем пользователям.

Централизованное управление и сбор данных с нескольких станий в центре управления позволяет с помощью специализированного программного обеспечения одновременно передавать дифференциальные поправки различным пользователям для определения местоположения объектов и навигации в режиме реального времени, организовывать уровни доступа по различным каналам связи, архивировать и предоставлять данные для специализированных предприятий, которым нужна высокая точность, т.е. предоставлять разнообразные сервисы точного позиционирования на основе спутниковых навигационных технологий. Такую систему сейчас называют спутниковой системой точного позиционирования (ССТП).

Основные характеристики сети дифференциальных станций:

  • Назначение (точная навигация, система межевания земель, геодезические, маркшейдерские измерения и топография, мониторинг деформаций — геодинамический полигон…);
  • Количество постоянно действующих станций;
  • Площадь охвата;
  • Используемые сигналы ГНСС (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou, QZSS …);
  • Предоставляемые сервисы (данные для постобработки, позиционирование в режиме реального времени – DGNSS, RTK);
  • Форматы предоставляемой информации (CMR+, Leica, RTCM…);
  • Открытость данных (свободный доступ или платная авторизация);
  • Обеспечиваемая точность в различных системах координат.

Развитие сетей постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций на отдельных объектах, таких как месторождения, карьеры, территориях городов и целых регионов дает возможность эффективней выполнять геодезические и маркшейдерские измерения, топографические съемки, инженерные изыскания и межевание земель. Эффективность достигается за счет сокращения времени при определении точного положения объектов в пространстве, уменьшения транспортных расходов и человеческих ресурсов. Создание региональных сетей для обеспечения кадастровых работ позволяет существенно сократить расходов на создание опорного обоснования (опорной межевой сети) и поддержании ее в рабочем состоянии. Сеть спутниковых дифференциальных станций может быть использована для закрепления единой координатно-временной основы на территории области или государства.

Количество постоянно действующих дифференциальных спутниковых приемников в сети может быть различным. Количество дифференциальных станций зависит от размеров области покрытия (района работ, территории региона), наличия линий связи, рельефа местности и ваших потребностей. Минимально рекомендуемое количество дифференциальных станций для обеспечения бесперебойной работы сети с гарантированной выдачей сетевых RTK поправок составляет 5 (пять) станций.

Сеть может предоставлять разнообразные услуги, включая сбор спутниковых данных для обработки с данными полевых приемников пользователей и обеспечение сетевыми дифференциальными поправками полевых исполнителей, использующих спутниковую аппаратуру в режиме RTK.

Преимущества сети дифференциальных станций перед одиночными дифференциальными станциями:

  • Большая область покрытия
  • Обеспечивает большую надежность
  • Возможность определения ионосферных и атмосферных поправок
  • Обеспечивает более высокую точность
  • Единая система координат для всех пользователей
  • Централизованное управление и контроль всеми станциями
  • Поддержка различных сервисов
  • Постобработка данных пользователя
  • Управление пользователями
  • Фундаментальная инфраструктура для позиционирования любых объектов

Спутниковая система точного позиционирования

В наши дни применение спутниковой аппаратуры для определения точного местоположения стало массовым, также как использование мобильной связи. Предоставление технической возможности позиционирование в сетях становится услугой. А такая инфраструктура, как сеть постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций, применяется для оказания сервисов точного спутникового позиционирования. Возникло новое понятие спутниковая система точного позиционирования (ССТП).

ССТП (спутниковая система точного позиционирования) — автоматизированный аппаратно-программный комплекс, состоящий из сети постоянно-действующих спутниковых дифференциальных станций, серверов со специальным программным обеспечением, каналов связи, предназначенных для контроля работы дифференциальных станций и передачи спутниковой корректирующей информации (дифференциальных поправок и данных для постобработки) исполнителям, выполняющим спутниковые измерения относительным методом. ССТП также характеризуется наличием службы эксплуатации, службы технической поддержки, коммерческой политики для предоставления сервисов точного спутникового позиционирования широкому кругу пользователей.

Стандартная точность определений местоположения с помощью навигационных ГНСС-приемников с помощью так называемого абсолютного метода составляет 3-10 метров. Этого вполне достаточно для решения задач в большинстве областей человеческой деятельности, где необходима информация о местоположении. 

Однако в некоторых областях, таких как например геодезия, кадастр, маркшейдерия, требуется точность гораздо выше. Для увеличения точности определений местоположения применяется относительный метод, где используется спутниковая корректирующая информация для уточнения координат, формируемая по данным спутниковых дифференциальные станций.

Спутниковые дифференциальные станции являются основой  наземной инфраструктуры для уточнения определяемых пространственных координат с помощью сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС). На основе постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций создаются  сети дифференциальных станций, обеспечивая единую пространственно-временную геодезическую основу высокоточных ГНСС-измерений.​

Централизованно управляемая сеть постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций, используемая для предоставления спутниковой корректирующей информации и услуг позиционирования пользователям в различных режимах и с различным уровнем точности, называется  Спутниковой Системой Точного Позиционирования (ССТП).

ССТП создаются для решения широкого спектра прикладных задач на обширных территориях, где есть необходимость в определении пространственных координат объектов с высокой точностью.

Сервис точного спутникового позиционирования – услуга по предоставления доступа к данным, необходимым для коррекции и уточнения получаемого с помощью спутникового (ГНСС) навигационного и геодезического оборудования положения объектов в пространстве.

Современные спутниковые ССТП на основе сети спутниковых дифференциальных станций состоят из нескольких сегментов:

  • Постоянно-действующие дифференциальные станции, включающие пилоны, спутниковую аппаратуру, систему непрерывного электропитания и т.д.;
  • Центр управления системой, ядром которого является сервер с программным обеспечением для контроля управления станциями, формирования модели ошибок и корректирующей информации пользователям;
  • Каналы коммуникации для связи центра управления со станциями и потребителями данных;
  • Каталог точных координат станций, набор параметров перехода из спутниковых систем координат WGS-84 и ПЗ-90 в государственную и местную систему координат (МСК-73), модель квазигеоида, внешнее опорное обоснование, единое время;
  • Служба эксплуатации;
  • Заинтересованные потребители и приемная аппаратура пользователей;
  • Бизнес модель, включающая в себя технические и коммерческие решения для обеспечения непрерывности работы системы, набора и качества предоставляемых данных и обслуживания потребителей, окупаемости системы.

Преимущества спутниковых систем точного позиционирования

Преимущества спутниковой системы точного позиционирования очевидны. При использовании данных спутниковых ССТП в топографических и кадастровых съемках, геодезических измерениях нет постоянной необходимости прокладки теодолитных, полигонометрических ходов, создания переходных опорных пунктов. Наличие на территории сети постоянно-действующих дифференциальных станций позволяет не заботиться о наличии плотной сети закрепленных на земле опорных знаков и реперов. Это существенно сокращает расходы на выполнения измерений, такие как транспортные расходы, износ оборудования, человеческие ресурсы, накладные расходы, сокращает время выполнения работ, обеспечивает предоставление пространственных результатов в цифровом виде в едином координатно-временном поле на обширных территориях. Существенно сокращаются расходы на создание опорного обоснования (опорной межевой сети) и поддержании ее в рабочем состоянии.

ССТП позволяет эффективней осуществлять навигацию транспортных средств, диспетчеризацию перевозок грузов, позиционирование объектов (кранов, вагонов, цистерн, танкеров, плавучих буровых платформ и др.), управлении сельскохозяйственной техники и применяется при постоянном мониторинге деформации зданий, сооружений и критически важных объектов, таких как мосты, плотины, дамбы, тоннели.

  • Сокращение времени выполнения измерений и вычислений минимум в 3 раза;
  • Сокращение расходов на выполнения полевых работ за счет снижения затрат на транспорт и персонал;
  • Существенно сокращение расходов на создание опорного геодезического обоснования (опорной межевой сети) и поддержании ее в рабочем состоянии;
  • Независимость о времени суток и от погодных условий;
  • Возможность определения местоположения с различной точностью в режиме реального времени и в апостериорном режиме;
  • Предоставление пространственных результатов в трехмерном, цифровом виде;
  • Предоставление данных в в едином координатно-временном поле на обширных территориях;
  • Единая организационная структура спутникового позиционирования с централизованным управлением и контролем;
  • Возможность наращивания и масштабирования системы позиционирования;
  • Комплексирование с различными цифровыми устройствами и датчиками.

Области применения спутниковых систем точного позиционирования (ССТП):

  • геодезия и картография — определение координат пунктов геодезических сетей;
  • создание и обновление кадастровых планов и карт, межевание земель;
  • определение границ земельных участков и объектов недвижимости;
  • маркшейдерия, разработка полезных ископаемых;
  • аэрофотосъемка — привязка центров фотографирования;
  • промышленное и гражданское строительство;
  • проектные и изыскательские работы, прокладка трубопроводов, линий электропередачи;
  • мониторинг смещений грунтов,
  • мониторинг деформаций объектов и сооружений;
  • коммунальное хозяйство;
  • высокоточная навигация на транспорте.

Подробней о создании и применении систем точного позиционирования на основе постоянно-действующих спутниковых дифференциальных станций в книге Естафьева О.В. «НАЗЕМНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ГНСС ДЛЯ ТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ».

Перечень операторов спутниковых систем точного позиционирования на основе постоянно действующих спутниковых дифференциальных станций на территории Российской Федерации.