Оценка вклада системы GLONASS
Аннотация
Развитие спутниковой группировки GLONASS позволило получить эффективную систему, которая обеспечивает важный вклад при съёмке в любой ситуации, ос обенно при наличии преград для видимости спутников. В этой статье рассказывается о результатах тестов позиционирования, выполненных новым поколением геодезических приемников GNSS предоставленных различными производителями, для оценки вклада системы GLONASS при съемке в режиме NRTK (Network Real Time Kinematic) в условиях критической геометрии спутников GNSS. Точные и конкретные результаты подтвердили качество двухсистемных приемников, даже когда были замечены различия в экстремальных условиях.
Введение в GLONASS
Современные военные радионавигационные системы GPS и GLONASS пришли из космических программ разработанных соответственно США и СССР после Второй мировой войны. С 1980-х СССР работал над созданием военной спутниковой радионавигационной системы, названной GLONASS (ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) одновременно с американской системой NAVSTAR-GPS. Система разработанная для обеспечения глобального покрытия, была закончена в 1995 с 26 действующими спутниками. Однако, из-за социального и политического кризиса в СССР, система не смогла поддержать себя экономически и, казалось, была обречена на медленное падение. Оригинальный проект состоял из 24 спутников, движущихся по кругу в трех плоскостях разделенных под углом в 120°. Спутники GLONASS двигаются по почти круговым орбитам с радиусом приблизительно 19100 км и углом наклона 64.8° к плоскости экватора с орбитальным периодом около 11 часов и 15 минут. Эффективность системы GLONASS в настоящее время обеспечивается сегментом управления на территории России, который состоит из центра управления системой SCC (System Control Centre) около Москвы и нескольких командных станций слежения CTS (Command Tracking Stations) расположенные в Санкт-Петербурге, Щёлково, Енисейске, Комсомольск-на-Амуре.
GLONASS использует FDMA (Frequency Division Multiple Access) метод основанный на передаче одинакового кода на различных частотах типичных для каждого спутника. В действительности, два спутника, которые находятся на одной орбитальной плоскости, но диаметрально противоположны, посылают сигналы на одинаковой частоте. Этот подход является главным отличием от системы GPS, в которой все спутники посылают сигналы на одних частотах (L1 и L2). Это означает более высокую сложность при производстве приемников, как аппаратного так и программного обеспечения, позволяющих отслеживать и использовать обе системы.
С 2001г. новая федеральная программа России под названием Глобальная Навигационная Система была принята правительством с финансовым и экономическим партнерством Индии, которая особенно заинтересована в гражданском использовании системы GLONASS. Чтобы понять, как GLONASS осуществил свое возвращение, достаточно обратить внимание, что в 2007г. президент России Владимир Путин подписал декрет, который разрешает свободный доступ к навигационным сигналам системы, как для граждан, так и для иностранных пользователей.
В настоящее время, система содержит 27 спутников, 23 из которых являются рабочими (http://www.glonass-ianc.rsa.ru/); федеральное правительство России стремится достичь полной эффективности до конца этого года. 
В научной и профессиональной области интерес к этой спутниковой системе обусловлен прежде всего тем, что совместное использование GPS и GLONASS может обеспечить лучшую спутниковую геометрию и следовательно избыточную информацию для оценки положения в плохих условиях видимости, при которых GPS в отдельности не нашел бы какое-либо решение. На Рисунке 2 показана доступность спутников GPS+GLONASS в Палермо, с 10° маской возвышения. Суммарное количество спутников двух систем (зеленый цвет) достигает максимума в 18 спутников с 11 спутниками GPS (фиолетовый цвет) и 7 спутниками GLONASS (красный цвет).
Планирование и проведение исследований
Цель тестов состоит в том, чтобы проверить использование GPS+GLONASS двойной системы для вычисления положения в реальном времени (в соответствии с методом Сетевого RTK) геодезическими приемниками трех основных производителей. Тестирование проводилось 14-го и 15-го декабря 2010 г. на территории крыши DICA (Department of Civil, Environmentaland Aerospace Engineering) Факультета Инженерии, университета Палермо. Три съемочных точки с металлическими головками были размещены на расстоянии 3-х метров друг от друга; это было сделано для того чтобы работать одновременно тремя приемниками с одинаковой спутниковой конфигурацией и одинаковыми условиями доступа в Интернет для приема поправок Сетевого RTK (см. рисунок 3).
Вначале были проведены статические GNSS 
измерения на точках, выбранных для теста, чтобы получить референцные координаты которые будут использованы для сравнения с результатами тестирования Сетевого RTK. Обработка была проведена с использованием коммерческого программного обеспечения Topcon Tools (принадлежащего DICA), координаты получены относительно референцной системы ETRF2000 (Эпоха 0.2008); использовалась Перманентная Референцная Станции PALE принадлежащая RND (National Dynamic Network) и управляемая IGMI (Italian Geographic Military Institute).
Дифференциальная корректирующая информация генерировалась программным обеспечением GNSMART компании Geo ++ из Ганновера, также принадлежащим DICA. Geo ++ была одной из первых компаний в мире которая выпустила программное обеспечение для Перманентных Станции GNSS с различными сетевыми поправками. Это независимая компания по сравнению с производителями тестируемого оборудования. Кроме того, программное обеспечение GNSMART совместимо со всеми используемыми приемниками (его используют десятки базовых станций в мире, в Италии оно было установлено в шести региональных сетях Перманентных Станций). Формат поправок использованных во время тестирования был стандартный RTCM 3.0, передача производилась через протокол NTRIP от ближайшей Перманентной Станции GNSS PALE в Палермо, работающей с 2007г. 
а) Мы решили не передавать другие виды коррекции, поскольку Перманентная Станция PALE находится недалеко от тестовой площадки;
б) - избегать собственных сетевых форматов каждого производителя (MAC, VRS или FKP).
На рисунке 4 показано меню GNSMART со спутниками, используемыми во время сессии.
В таблице 1 представлены приемники, используемые во время тестов и их основные технические характеристики. Они показывают современный технический уровень ведущих компаний.
Испытания проводились путем умышленного изменения геометрической конфигурации спутников принадлежащих системам GPS и GLONASS. Были проведены два типа тестов:
1. Первый тест для проверки используют ли приемники спутники GLONASS для разрешения фазовой неоднозначности. С этой целью количество спутников, переданных в дифференциальных коррекциях, было изменено; при каждом изменении в приемниках было перезапущено разрешение неоднозначности, и затем позиция регистрировалась в течение 300 эпох. Были выполнены четыре тестовых сессии, также, изменялось расстояние между приемниками, чтобы придать большую значимость и надежность результатам. Этот вид теста воспроизводит ситуацию в начале наблюдения.
2. Цель второго теста состоит в том, чтобы исследовать поведение приемников в очень трудных условиях съемки, где из-за преград количество спутников изменяется непрерывно. Этот тест начался с передачи поправок с использованием всех доступных спутников и затем, каждые 150 секунд, спутники GPS отключали один за другим, в то время как приемник продолжал записывать позицию без прерываний.
Регистрация наблюдений проводилась с фиксированным, плавающим и автономным решением неоднозначности. В конце регистрации, были приняты во внимание только фиксированные значения, обозначенные инструментами, следуя директивам производителей, которые определяют фиксированное решение как надежное. Для оценки результатов мы рассмотрели различия между зарегистрированным положением и референцным положением, вычисленным, как было описано ранее. Планиметрические разницы вычислены согласно следующей формуле: 
, где dE = E-известное - E-измеренное и dN = N-известное - N-измеренное, в то время как разность высот вычислена согласно формуле dU = U-известное - U-измеренное. Наконец, мы не рассматривали координаты с различием больше чем 10 см от известной координаты, даже если вычисленное положение было фиксированным.
Наблюдение спутников GPS (тестирование с реинициализацией)
В этом тесте поправки передавались только от спутников GPS, изменялась геометрия, начиная с ситуации, когда все спутники GPS были доступны и затем использовались 6, 5 и 4 спутников. Вышеупомянутое изменение конфигурации производилось программным обеспечением GNSMART. Тест проводился три раза 14-го декабря 2010 и один раз 15-го декабря 2010 и, при каждом изменении конфигурации, перезапускалось вычисление неоднозначностей, и решения записывались в течении 300 эпох. Из рассмотрения результатов для трех приемников, отличные результаты были получены для планиметрических разностей для всех проведенных четырех тестов. Данные, полученные с приемников, хорошо коррелируются и показывают умеренную тенденцию в диапазоне 1-2 см, без заметного изменения при сокращении числа спутников (от 9+0 до 5+0). Но, при чрезвычайных условиях (4+0), ни один приемник не смог разрешить фазовую неоднозначность. Высотные разности также коррелируют с планиметрическими результатами, а именно, нет никаких серьёзных отклонений при изменении спутниковой конфигурации.
Наблюдение спутников GPS+GLONASS (тестирование с реинициализацией)
При рассмотрении конфигурация GPS+GLONASS, мы изменяли геометрию спутников от 4+5 до 3+5, и в конце до 2+5. Вышеупомянутые изменения также проводились программным обеспечением GNSMART, с тем же самым рабочим режимом, как и в предыдущем тесте проводимом со спутниками GPS. Было замечено, что результирующие разности полученные с приемников TOPCON и Trimble имеют одинаковую тенденцию. Однако, значения дисперсии были сопоставимы предыдущими конфигурациями GPS только для конфигурации 4+5 спутников. Для этой конфигурации приемник Leica обеспечил приемлемые решения в двух из трех сессий.
Рис. 5. Планиметрические диаграммы
тестов GPS+GLONASS с реинициализацией
При переходе к конфигурации 3+5, данные, полученные из приемников Trimble и TOPCON, показали одинаковую тенденцию, что и в тестах с GPS, тогда как приемник Leica не показал решения. В комбинации 2+5 приемник Topcon показал все решения для двух сессий, тогда как приёмник Trimble только в одном из четырёх тестов с четкими разрывами (см. Рис. 5). Результаты, подобные тем, что видны на диаграммах плановых остатков, были получены и для разностей высот (Рис.6).
Рис. 6. Высотные диаграммы тестов
GPS+GLONASS с реинициализацией
Ниже в Таблице 2 показаны сводные результаты, полученных во время тех тестов, где проводилась реинициализация при изменении числа спутников GPS. Пожалуйста, смотрите ключ ниже таблицы для объяснения результатов…
Тест с непрерывной записью
Во время этого теста, который продлился приблизительно 20 минут, приемники поставили на непрерывную запись с односекундным интервалом, геометрия спутников GPS меняли каждые 150 секунд при помощи программного обеспечения GNSMART. Были вычислены планиметрические (Восток и Север) и высотные разности относительно позиции, полученной статическим методом, вычисленной Topcon Tools; схемы выражают тенденцию разностей в тенденцию во времени для этих трех приемников. Рассмотрев данные, содержащихся в графиках на Рисунках 7 и 8 для трех приемников, предварительно отметили, что до тех пор, пока для решения используются 4 спутника (другими словами, съемка ведется с теоретически приемлемыми геометрическими условиями), данные полученные от приемников, согласованы друг с другом и разности находятся в пределах 1-2 см. В критических условиях, с 3-ми спутниками GPS и 6-ю GLONASS, разности измерений приемников Topcon и Trimble поддерживают ту же тенденцию, которая согласуется с дисперсией значений предыдущих конфигураций. С другой стороны, разности, полученные в результате измерений приемника Leica, показывают четкий разрыв и резкие скачки на 7-8 см. Сокращая количество спутников GPS, мы заметили, что различия, разности полученные приемниками Topcon и Trimble, являются сантиметровыми и имеют одинаковый порядок величины как в тесты со спутниками GPS и большую доступностью решений, полученных приемником Topcon (в конфигурациях 3+6, 2+6 и 0+6), тогда разности измерений приемника Leica, присутствуют только до геометрии 3+6. Аналогичные планиметрическим результаты получены для высотных разностей - особенно при использовании 4-х спутников GPS - разности от трех приемников согласованы друг с другом и находятся в интервале ± 2 -5 см. В условиях плохой видимости, данные, полученные от приемников Topcon и Trimble показывают одинаковую тенденцию, в то время как приемник Leica не смог предоставить приемлемое решения для конфигураций 3+6, 2+6 и 0+6. И наконец, в экстремальных условиях с 6-ю спутниками GLONASS без GPS только приемник Topcon был в состоянии обеспечить результаты сопоставимые со значениями предыдущих конфигураций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как уже отмечалось, интерес научно-исследовательских центров и университетов в системе GLONASS вызван тем, что совместное использование двух спутниковых систем может обеспечить лучшую геометрию спутников в критических условиях, созданных естественными и городскими средами или возникающих в местах, подверженных электромагнитным помехам. Новые политический интерес федерального правительства России к системе GLONASS позволит использовать ее в полной оперативной готовности (26 спутников), как и систему GPS, к концу года, однако, совместное использование Американских и Российских спутников стало возможным благодаря спутниковым приемникам GNSS, имеющимся на рынке. Первые результаты испытаний, проведенных в этой работе, по намеренному изменению геометрической конфигурации спутников принадлежащих GPS и GLONASS, показали хорошие показатели с точки зрения точности и надежности для всех приемников, при работе в оптимальных условиях видимости спутников, а именно при наличии достаточного количества GPS и GLONASS спутников. Воссоздавая условия реальной съемки GPS (препятствия, потери сигнала, съемка в городских районах, электромагнитные помехи) - с ограниченным числом GPS и GLONASS спутников (тесты с непрерывной записью) - приемники Topcon и Trimble показали низкие значения планиметрических и вертикальных разностей и высокий уровень фиксированных решений. Напротив, было отмечено, что приемник Leica не смог обеспечить решения согласованные с результатами предыдущих конфигураций, если наблюдается менее 4 спутников GPS, даже в присутствии 6 спутников GLONASS. И наконец, в экстремальных условиях для съемки только с 6-ю спутниками GLONASS смог обеспечить фиксированное решение с сантиметровыми разностями только приемник Topcon. Обратите внимание, что данное исследование не претендует на то, чтобы делать оценку работы приемников, автор также намерен продолжить эксперименты по оценке вклада GLONASS в режиме Сетевого RTK с дальнейшим тестами, проверкой результатов полученных с помощью других типов коррекции (VRS, MAC, FKP), генерирующимися различным коммерческим программным обеспечением для управления перманентными станциями.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор хотел бы поблагодарить Sergio Condello, Gianfranco Lupo и Davide Pellegrino из Leica Geosystem Italia, Paolo Centanni и Vito Terzo из GeoTop srl, Leonardo Alestra и Michele Gagliano из CGT Trimble, за то что любезно предоставили программное и аппаратное обеспечение для испытаний.
АВТОР
Gino Dardanelli, Департамент гражданской, экологической и
аэрокосмической инженерии, Университет Палермо
(перевод выполнен сотрудниками ООО "ТНТ ТПИ" 11.11.11)