О западных системах дифференциальной коррекции

Продолжение...


Так, на территории Северо-Запада для целей сельского хозяйства, непосредственно геодезии, а также гидрографии на реках и озерах, включая прибрежную зону Финского залива, нужную корректирующую поправку спутниковый приемник может гарантировано получить только двумя путями:


Первый путь:

От региональной сети базовых станций Геоспайдер.

Эта высокоточная координатная сеть уже покрывает четыре области Северо-Западного Нечерноземья – Псковскую, Новгородскую, Ленинградскую и Мурманскую, а также Республику Карелия. Корректирующую поправку от Гекоспайдера можно получать абсолютно в любом месте этой территории.


Существует льготное подключение для всех пользователей приобретающих оборудование через Спутниковую лабораторию, в том числе и для для агрохозяйств Северо-Западного региона – бесплатно на первый год внедрения и освоения любых технологий параллельного вождения.

Это сделано Геоспайдером специально – побуждая и инициируя скорейшее внедрение высокоточных технологий в прикладной спутниковой геодезии и в нашем сельском хозяйстве.


Например, вся сельскохозяйственная техника, оснащенная агронавигаторами с высокоточными приемниками, будет получать корректирующую поправку независимо от времени суток и сезона года.

Особенность этого варианта – несравнимо низкие расходы.

Изыскательские и строительные организации, гидрографы, а также агрохозяйства освобождаются от непрофильных и немалых единоразовых финансовых затрат на геодезическую основу. И наоборот, получают профессиональную техническую поддержку по вопросам практического применения высокоточного позиционирования в своей деятельности.



Второй путь:

От собственной базовой станции пользователя - стационарной или полевой мобильной.

Для этого необходимо приобрести такую базовую спутниковую станцию и установить ее, например, в центре агрохозяйства - если она предназначена для точного земледелия, либо у своего офиса - для целей геодезической съемки.

В радиусе двадцати-тридцати километров эта база будет по каналу УКВ или GSM связи давать поправку всем остальным подвижным приемникам, как полевым приемникам, так и мобильным на тракторах, комбайнах, поливальных машинах и остальной технике, включая дорожную и любую другую.


В этом случае, есть реальная возможность обеспечить в режиме RTK высокую сантиметровую точность для топогеодезических работ, для гидрографических съемок акваторий, для техники и применяемых технологий умного земледелия - становится доступной для внедрения вся возможная линейка точных сельскохозяйственных технологий.

Особенность этого варианта – вполне разумная стоимость.

Потребуются разовые затраты на приобретение спутникового оборудования для базы и ее привязки к государственной геодезической сети. Но зато потом появляется возможность применения и развития новых технологий на этой основе, без существенных дополнительных вложений.



И есть еще третий путь – о котором продавцы спутникового навигационного оборудования и услуг часто говорят, как о само собой разумеющемся, предлагая оборудование западного производства, но без акцентирования внимания на ограниченные возможности его применения в России.

Это неочевидный путь получения поправки от западных систем коррекции, передающих эту поправку через геостационарные спутники.
И который в условиях Северо-Запада будет стоить больших трат времени, пустых хлопот и и потери немалых денег...


А если называть вещи своими словами, это как раз тот случай заблуждений, фактического сокрытия принципиально важной информации для покупателя спутникового оборудования и потребителя услуг дифференциальных поправок - чреватого негативными для него последствиями.


О дифференциальных GPS системах (DGPS) много и подробно пишется на сайтах продающих спутниковые приемники и агронавигаторы – перепечатыванием информации, так как она указывается в технических спецификациях самих спутниковых приемников – тоже в основном западного производства. Речь идет о системах дифференциальной коррекции функционирующих и применяемых успешно в Европе, в Северной Америке, в Англии… в самых различных отраслях применения и которые якобы могут быть успешно быть применены и в России. Как говорится - остается только захотеть…


Речь идет о сервисах - SBAS (WAAS, EGNOS, GAGAN, MSAS), а также TerraSTAR, OmniSTAR, StarFIRE, Trimble CENTER POINT RTX, CENTER POINT RTK и некоторых други, включая упоминавшийся ATLAS.


Все эти западные сервисы имеют специально созданные базовые станции практически по всему миру – но у каждой системы эти станции свои.
А также спутники на геостационарных орбитах – у каждой системы опять же свои, транслирующие корректирующие поправки получателям.




Акцентируем внимание, в первую очередь - руководителей агрохозяйств, кто сочтет, что пришло время внедрения новых технологий - пора осваивать параллельное вождение сельскохозяйственной техники и начинать экономить на этом немалые ресурсы и деньги, есть для этого два принципиальных направления выбора:

Первое направление:
Особо не утруждая себя познанием тонкостей спутниковой навигации, купить первый попавшийся девайс типа Кампуса, который стоит недорого, всего-то тысяч шестьдесят рублей - зато обещает точности в сантиметрах- дециметрах, и смело начинать его внедрение.
Реальная точность таких девайсов на агрополе чудес может быть в метрах и только в метрах, кто бы что не говорил и как бы не убеждал при его продаже.
Но, каждый купивший имеет право на эксперименты и научные открытия - может кому-то и повезет!

Второе направление:
Обосновано полагая, что сыр бесплатный бывает только в известном месте, потратить немного своего дорогого времени на понимание несложной технической сути спутникового позиционирования - хотя бы в объеме изложенном ниже Это понимание убережет от пустой траты денег, времени и нервов, дав правильное направление внедрению новых технологий в агропроизводстве.

Повторим еще раз - сантиметровую и дециметровую точность можно получить только через алгоритм зональной дифференциальной поправки для спутникового агронавигатора находящемся на конкретном тракторе или комбайне.

В свою очередь, этот единственно правильный путь дает два варианта реализации указанного алгоритма, уже упоминавшихся выше:

*Первый - поправка агронавигаторами принимается от региональной сети базовых станций - если она есть в регионе, что для Северо-Запада просто и быстро реализуется уже сегодня с малыми затратами через ГЕОСПАЙДЕР.
*Второй - поправка агронавигатором сельхозтехники получается от собственной базовой станции агрохозяйства, что есть вполне реальный и реализуемый вариант для тех, кто нацелен на новые технологии и это ему позволяют финансы.


А вот третий вариант - поправка от специальных спутниковых дифференциальных сервисов западной юрисдикции,на территории Северо-Запада имеют объективные ограничения и вместо заявляемых дециметров будут объективно только метры и метры.



Технологические особенности традиционного метода дифференциальной коррекции


Первый и второй варианты - это и есть реализация традиционного метода дифференциальной навигации, когда каждая базовая станция независимо от других станций автономно формирует и распространяет RTCM SC-104 DGPS-коррекции. При этом станция выполняет автономный контроль целостности GNSS и передает коррекции, которые вычисляются для наблюдений каждого спутника в отдельности или, в отдельных случаях, к координатам объекта с учетом совместно "видимого" созвездия спутников.
Первый вариант – поправки получаются от региональной сети базовых станций ГЕОСПАЙДЕР через интернет-канал.
Второй вариант – поправки получаются по прямому каналу связи от отдельно взятой базовой станции принадлежащей пользователю.

Посмотрим на таблицу источников и факторов влияющих на точность в зависимости от расстояния:



Из таблицы видно, что чем дальше от базовой станции, тем большее значение имеет состояние тропосферы с ионосферой в данной местности и их погрешности. Вот поэтому, при работе от собственной базовой станции или отдельной станции сети получение от них локальной дифференциальной поправки возможно на расстояние до 100 км от станции, реально же должно быть не более 50 км, которого более чем достаточно для отдельно взятого агрохозяйства.



Технологические особенности спутниковых дифференциальных сервисов


Спутниковые дифференциальные сервисы относятся к широкозонным дифференциальным подсистемам глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS/BEIDOU/GALILEO.

При широкозонном методе - наблюдения опорных станций достаточно разреженной сети обрабатываются совместно, чтобы максимально использовать свойства сильной пространственно-временной корреляции атмосферных и орбитальных (эфемеридных) погрешностей, путем моделирования этих погрешностей в зоне действия сети станций. Такой подход позволяет значительно повысить уровень точности и надежности местоопределения и обеспечить практически равномерное распределение точности коррекций по всей зоне покрытия этой сети станций.

Для реализации этого подхода существует несколько различных алгоритмов, которые используются для формирования широкозонных WADGPS-коррекций. Можно выделить две главные группы алгоритмов. Первая группа формирует коррекции в пространстве измерений, вторая – в пространстве состояний отдельных моделируемых составляющих погрешностей наблюдений.

Первый вариант называется мультиреференцным - Multi-Reference Differential (MRD): на каждой станции сети одновременно формируются кодовые DGPS-коррекции, которые затем в центре сбора и обработки (ЦСО) подвергаются контролю качества и целостности и взвешенной обработке так, чтобы ее результаты в виде коррекций либо их функций передать потребителям, где формируются текущие и оптимальные сетевые поправки для данного местоположения потребителя.

Эти поправки получили название коррекций виртуальной опорной станции (Virtual Reference (Base) Station – VRS(VBS)), как бы находящейся рядом с пользователем даже с изменением его местоположения. Коррекции формируются с учетом конкретного местоположения пользователя – это так называемая локальная поправка, при котором выполняется взвешивание дифференциальных поправок отдельных станций, чтобы максимально уменьшить влияние наиболее значимых погрешностей. Вариант этот является относительно простым и для его реализации достаточно небольшого количества опорных станций.

Примером реализации является сервис OmniSTAR - обеспечивающий VBS-коррекциями Северную Америку с использованием только десяти станций.




Заявленная точность определения местоположения с использованием коррекций OmniSTAR VBS для коммерческих приемников высокого качества составляет менее 1 м по плановым координатам и 2 – 2,5 м по вертикальным.

Второй вариант получил название Wide Area Differential (WAD), когда по двухчастотным наблюдениям сети опорных станций вычисляются параметры моделей каждого источника погрешностей в отдельности. Обычно это уходы спутниковых часов, эфемериды и ионосферная задержка. Параметры, описывающие поведение этих погрешностей, передаются потребителям в зоне обслуживания этой GNSS-подсистемы. У потребителей вектор параметров коррекций преобразуется в вектор коррекций наблюдений для каждого спутника в отдельности также с учетом текущего местоположения потребителей.

Этот подход положен в основу подсистем WAAS (США), EGNOS (ЕС), MSAS (Япония) и GPS•C (Канада). Он значительно сложнее варианта MRD и требует адекватного количества опорных станций для его реализации. В то же время, WAD-метод потенциально обладает бóльшими возможностями по ряду характеристик в сравнении с методом MRD.

По второму варианту реализованы сервисы с достаточно высокими точностными характеристиками. Это - OmniSTAR HP (High Precision), Racal Genesis (Thales Geosolutions – бывшая RACAL) и StarFire (NavCom Technologies/ John Deere).
Главная особенность этих новейших технологий - достижение дециметровой точности в статическом и кинематическом режимах съемки в реальном времени в зонах покрытия этих сетей на удалениях от опорных станций до 1000 км.



Перечисленные выше возможности широкозонных сервисов коррекции имеют три ключевых условия:

Сетевой принцип – построение сети опорных двухчастотных станций и совместная обработка их наблюдений, что позволяет оценить эфемеридные, ионосферные, тропосферные и частотно-временные составляющие погрешностей, найти пространственно-временные модели этих погрешностей в рабочей зоне сети станций и точно рассчитать эти погрешности для потребителей;

Использование фазовых наблюдений - что позволяет достичь на один-два порядка более высокие точности, чем при использовании традиционного кодового DGPS-метода, в том числе и за счет практически полного исключения многолучевости по сравнению с кодовыми наблюдениями;

Использование двухчастотных приемников у пользователей - позволяет практически полностью исключать наиболее значимую и наиболее изменчивую ионосферную составляющую погрешностей, со значительным облегчением разрешение неоднозначности фазовых измерений, как в местах расположения опорных станций, так и пользователей;



Более подробно о проблемах третьего варианта ниже


Вот так выглядит геостационарная орбита Земли, с плотно разместившимися на ней геостационарными спутниками.
Среди них висят и спутники передающие дифференциальные поправки для приемников агронавигаторов.



Почти все указанные выше сервисы платные – по оформляемой подписке. Имеемые бесплатные сервисы практической пользы для России вообще не имеют.


Поправки передаются на частоте L-дипазона - 1539.9625 МГц американской системы GPS.


Для большего понимания этого вопроса дается справка по частотам GNSS систем.




Сервис SBAS – глобальная система дифференциальных поправок.


Space Based Augmentation System, что переводится как «космические вспомогательные системы». Также встречается название WADGPS (Wide Area Differential GPS) – глобальный дифференциальный GPS.


В мире существует несколько аналогичных систем:

в Северной Америке – WAAS, в Европе – EGNOS, в Японии - MSAS, в Индии – GAGAN, в России – SDCM (создается).



Система WAAS - содержит более 20 базовых станции (WRS), расположенных на всей территории Соединенных Штатов и Канады. Каждая их станций оборудована GPS аппаратурой и специальным программным обеспечением, предназначенным для приема GPS сигналов, анализа полученных измерений, вычисления ошибок ионосферы, отклонений траекторий и часов спутников.

Затем эти данные передаются на центральную станцию управления (Master Station - WMS), где повторно обрабатывается и анализируются с учетом измерений, полученных со всех базовых станций сети. И после этого корректирующая информация передается на геостационарные спутники и уже оттуда ретранслируется пользователям.

Спутники WAAS в России не видны вообще, практическая польза отсутствует.


Система EGNOS - европейский аналог WAAS. Система EGNOS включает три геостационарных спутника, принадлежащих двум компаниям Artemis и Inmarsat, каждая из которых имеет свою независимую сеть наземных станций.


Все спутники EGNOS «видны» в Западной части России.

Ниже представлена таблица углов возвышения каждого из спутников для наблюдателей находящихся в Москве и Питере, Казани и Новосибирске.



Спутник

Москва

Питер

Казань

Новосибирск

Inmarsat 3f2

12

10

5

0.1

ARTEMIS

29

24

24

3

Inmarsat 3f5

25

22

23

9


Как это видно из таблицы, фактически, спутники находятся не намного выше уровня горизонта. Поэтому в лесу и городах с плотной застройкой, сигнал от спутников EGNOS будет недоступен для приема навигационной аппаратуре. Чем восточнее находится пользователь, тем меньше становится угол, и соответственно, тем сложнее «увидеть» сигнал.


Однако видимость этих спутников, есть только часть проблемы.


Основная проблема заключается не в видимости спутников, а в отсутствии на территории России сети наземных станций, которые бы могли правильно и точно вычислять ионосферные задержки и через геостационарные спутники ретранслировать их пользователям.

Передаваемые поправки псевдодальностей, измерены и вычислены для спутников, расположенных над территорией Европы. Поэтому в составе корректирующих сообщений EGNOS нет данных для «узловых» точек, относящихся к территории России. Исключение составляют западные приграничные территории, которые «захватываются» действием базовых станций, расположенных в Норвегии и Польше


По результатам проводимых тестирований, было выявлено, что в Москве использование сигналов EGNOS не только не улучшает, а ухудшает точность определения позиции в профессиональной навигационной аппаратуре.

А бытовые GPS навигаторы, в отличие от геодезических, более «чувствительны» к любым изменениям в структуре и содержании данных EGNOS. Учитывая, что EGNOS до сих пор функционирует в тестовом режиме и соответственно допускаются любые эксперименты  в передаваемых данных, можно предположить, что GPS навигаторы просто не смогут правильно декодировать сигнал.

В случае, когда система работает в нормальном режиме, сигналы EGNOS принимаются и обрабатываются, но как подтвердил эксперимент, точность позиционирования не улучшается.


Таким образом, практической пользы от EGNOS на территории России также нет



Более подробно о точности заявляемой системами дифкоррекции


Ниже, все перечисленные выше системы дифференциальной коррекции сгруппированы по уровню точности, для большей наглядности и понимания этого вопроса.


Уровень субметровой точности


Это точность определения координат меньше одного метра с вероятностью 95%.

Погрешность определения высоты – около 1 метра с вероятностью 99%.


Такую точность гарантирует сервис OmniSTAR VBS (Виртуальная базовая станция).

Расстояние от сети наземных станций может составлять до 1000 км.

Дифференциальные поправки передаются в формате RTCM .

Реальная точность 15-20 см для территорий с базовыми станциями


Зона покрытия


Уровень дециметровой точности


Это уже точность определения координат - от ряда к ряду < 15 см, повторяемая точность < 50 см

Такую точность дает сервис OmniSTAR НР (Высокоточное исполнение)

Зона покрытия


Сервис OmniSTAR ХР / G2 (Расширенное исполнение) - обеспечивает точность от 4 до 50 см.

OmniSTAR-XP использует данные о точной орбите спутников GPS и измерения времени GPS. Точность определения позиции с использованием OmniSTAR HP/XP увеличивается с течением времени после включения приемника. Сервис XP отличается тем, что в этом случае для формирования поправок не требуются наземные станции.

Реальная точность 8-10 см для территорий с базовыми станциями.

Зона покрытия


RangePoint RTX Точность -5-10 см для территорий с базовыми станциями.


Зона покрытия

Уровень сантиметровой точности


CenterPoint RTK Точность < 2,5 см - там где есть эти сети

Зоны покрытия



Объективные ограничения спутниковых сервисов коррекции для применения в условиях российского Северо-Запада


Первое ограничение

Широтная граница Северо-Запада России начинается от северного 58 градуса.
Долгота Санкт-Петербурга - восточная 30 градусов.
Долгота спутника 25E - восточная 25 градусов.
Угол места спутника 25E сервиса TerraSTAR из точки в Санкт-Петербурге – примерно 20 градусов

С учетом нахождения пользователей северо-западных территорий на периферии зоны покрытия геостационарного спутника 25Е и крайне малого угла места - не более 20 градусов, наблюдения этого спутника затруднены из-за наличия множественных закрытых зон по причинам рельефа поверхности, лесной растительности и откосов береговой черты.
Для получения достаточного уровня сигнал нужна прямая видимость этого спутника. Это та же видимость, которой добиваются ориентированием тарелки спутникового телевидения – выискивая просвет между горками, деревьями или зданиями.
Все эти факторы, взятые в комплексе, крайне осложнят и растянут работу по времени, дав итоговую точность в метрах. В каких-то случаях этого может быть достаточно, но в рассматриваемых - для параллельного вождения в условиях Северо-Запада малоприемлемо.


Второе ограничение

Прием спутниковой коррекции от широкозонных систем возможен только через специальный приемник – имеющий возможность приема в L-band диапазоне частот. Стоимость такого приемника 300-500 тысяч рублей.


Третье ограничение

Экономическая целесообразность…
Месячная подписка на сервис спутниковой дифференциальной коррекции типа TerraSTAR или OmniSTAR обойдется в сумму порядка 20 000-30 000 рублей.
Месячная подписка на сервис региональной дифференциальной поправки в местных системах координат от сети ГЕОСПАЙДЕР – 5 000 рублей.



Таким образом, большая часть существующих западных сервисов коррекции практического применения в России не имеет.
Соответственно, не имеют реальной пользы функции и характеристики спутниковых ОЕМ-приемников, интегрированных в агронавигаторы и ориентированных на эти дифференциальные сервисы - это лишние затраты.


Информация же об этих сервисах в коммерческих проспектах оборудования, забивая канал объективного восприятия технологии, только мешает правильному выбору сельхозпроизводителем нужного ему варианта агронавигатора. А фактически такая информация просто вводит в заблуждение. Приводя к неправильному выбору оборудования и неоправданным финансовым затратам.


В ситуации пока еще отсутствия в России собственных систем дифференциальной коррекции – СКВД еще только развивается, роскошь затрат российских сельхозпроизводителей на оборудование работающее на основе DGPS - с декларированной возможностью принятия платных поправок от западных сервисов, абсолютно не оправдана технологически и финансово, а в условиях экономической войны - политически недальновидно.


А в ситуации достаточного насыщения Северо-Запада наземными станциями дифференциальной коррекции ГЕОСПАЙДЕР, задача получения дифференциальных поправок агронавигаторами сельскохозяйственной техники легко решается - со стоимостью решения в десятки раз меньшей чем от спутниковых западных сервисов!