Внедрение методов высокоточного местоопределения на внутренних водных путях Российской Федерации

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-3-28-35 УДК 656.62/629.783/621.396.932

И. В. Пащенко, В. В. Козлов, А. И. Соколов

ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОВ ВЫСОКОТОЧНОГО МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫ1Х ПУТЯХ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Рассмотрены каналы связи для передачи поправок и эфемеридной информации. Проанализированы методики расчёта ошибок спутниковых местоопределений. Приведены результаты натурных испытаний для определения точности местоопределения для режимов Real Time Kinematic (RTK) и Precise Point Positioning (PPP). Проведён обзор действующих дифференциальных подсистем спутниковой навигации: локальных дифференциальных спутниковых подсистем, систем спутниковой дифференциальной коррекции и мониторинга. Методы дифференциальной коррекции координат, применяемые в настоящее время на внутреннем водном транспорте, обеспечивают точность в пределах 1-5 м. Так как в беспилотном режиме данная точность недостаточна, возникает необходимость в разработке методов, которые позволят вычислить местоопределение с сантиметровой точностью. Точное позиционирование относительно оси судового хода даёт возможность управлять судном полностью в автоматическом режиме, а также использовать роботизированные объекты водного транспорта, способные совершать безопасные рейсы по набору путевых точек, привязанных к географическим координатам.

Ключевые слова: Real Time Kinematic, Precise Point Positioning, глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС, внутренние водные пути, система мониторинга, контрольно-корректирующая станция, дифференциальное поле, безопасность мореплавания.

Введение

Внедрение и успешное использование на внутренних водных путях (ВВП) России локальных дифференциальных дополнений (ЛДПС) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения ГЛОНАСС/GPS способствовало повышению уровня безопасности судоходства. ЛДПС строится на базе контрольно-корректирующих станций (ККС), способных формировать радионавигационное поле дифференциальных поправок (ДП) радиусом до 500 км. Расположение самой ККС предварительно определено с высокой точностью. Посредством перекрытия рабочих зон ККС создаётся сплошное радионавигационное поле ДП. Доставка ДП пользователям осуществляется с помощью радиоволны диапазона средних волн в полосе частот 283,5-325,0 кГц и ультракоротких волн через информационный канал автоматической идентификационной системы (АИС). Корректирующая информация передаётся в соответствии с международным стандартом RTCM SC-104 версия 3.0. Точность местоопределения с использованием ЛДПС составляет 1-5 м с дискретностью 1-2 с для средней скорости движения судов на ВВП РФ 15 км/ч. По результатам натурных испытаний точность навигационных местоопределений в районе Средней Свири, проблемного с точки зрения удаления от ККС более чем на 300 м, составляет 2,8-3 м [1]. Такая точность местоопределения судна позволяет не только значительно повысить уровень безопасности плавания, но и совершать переход от лоцманского способа проводки судна на инструментальный (например, использование на внутреннем водном транспорте (ВВТ) электронных навигационных карт (ЭНК) и системы отображения и информации (СОЭНКИ)). Отображение положения судна относительно оси судового хода в СОЭНКИ в режиме реального времени избавило судоводителя от постоянного визуального, радиолокационного местоопределения судна. Отображение информации АИС, сигнализация о выходе за установленную изобату глубины и о приближении к навигационной опасности, сложному участку водного пути существенно повысили уровень безопасности плавания по ВВП. Без всякого сомнения, более высокоточные способы местоопределения судна позволят расширить функционал СОЭНКИ и степень доверия к инструментальному методу проводки судов в целом.

Метод высокоточного местоопределения Real Time Kinematic

В настоящее время широкое применение находит метод высокоточного местоопределения Real Time Kinematic (RTK, кинематика реального времени). Суть метода заключается в применении двух и более приёмников, один из которых - базовая станция (БС), установленная

в точке с точно известными координатами, а остальные - подвижные приёмники (роверы). Для работы метода необходимо, чтобы и БС, и роверы отслеживали одни и те же спутники. БС, имея исходные координаты пункта, на котором она установлена, вычисляет необходимые поправки и передаёт их на роверы с помощью протоколов мобильной передачи данных в зависимости от предоставления их мобильной сетью GPRS/HSDPA/LTE [2]. Двухдиапазонные приёмники обеспечивают работу системы в радиусе 100 км, однодиапазонные - до 20 км. Данный метод, на примере спутникового геодезического приёмника Trimble Net R5 (рис. 1), обеспечивает среднеквадратичную погрешность (СКП) определения координат для плановых измерений 10 мм + 1,0 мм/км и 20 мм + 1,0 мм/км - для определения высотной составляющей положения определяемой точки [3]. Программное обеспечение приёмника способно разрешать неоднозначные ситуации и с достаточной достоверностью > 99,9 % по заявлению производителя оборудования предоставлять результаты как оценки точности, так и решений получения координат определяемых точек.

Рис. 1. Приёмник Trimble NETR5

Метод RTK используется и хорошо зарекомендовал себя в кадастровых работах, мониторинге деформации, сельском хозяйстве, дорожном строительстве. На территории России, как и в ряде других стран, созданы и развиваются сервисы по круглосуточному автоматическому предоставлению поправок RTK. Такие проекты, как SmartNet Russia, HIVE, RTKNET имеют ГЛОНАСС/GPS с выходом в интернет [4-6]. Подключившись к интернет-сервисам данных проектов, пользователь будет получать поправки местоопределения.

Например, на упомянутом участке Средней Свири, где уже существует сеть базовых станций, для высокоточного местоопределения пользователю достаточно иметь только соответствующий приёмник (рис. 2) [6].

Рис. 2. Зоны действия базовых станций сервиса HIVE

Точность местоопредления судна с использованием ЛДПС на базе ККС составляет 2,8-3 м, точность местоопределения судна, на боту которого использовался бы спутниковый приёмник ГЛОНАСС/GPS, поддерживающий технологию RTK, подключенный к сервису HIVE посредством мобильной связи, имело бы СКП 8-10 см (для плановых измерений) (рис. 3) [6].

ШР1Лодейное Поле

60°43'56" 33°33'00-

TRIMBLE NETR5

Версия прошивки 4.87

Поток поправок для работы в режиме КТК передаётся согласно стандарту ЯТСМ ЭС-КМ по протоколу ЫТИР.

Модель антенны Обте»

TPSCR.G3 TI

Калибровочные параметры: ANTEX ANTINFO Серийный номер

38В0863

Радиус зон покрытия

tw

(J) Стабильная Нестабильная Экспериментальная Q Несколько станций

Рис. 3. Сервис HIVE

Существенным недостатком является то, что все системы предоставляют услуги потребителям платно. Подключение к станции LDPL системы HIVE стоит 229,0 руб. в день, без учёта затрат на интернет-услуги и мобильной связи [6]. Стоимость и время предоставления услуг в проектах RTK различны.

Использование сантиметровой точности местоопределения в СОЭНКИ позволит осуществлять движение судна по ВВП в автоматическом режиме, совершать безопасные расхождения с другими судами, пересмотреть некоторые сложные участки ВВП на предмет ограничения скорости, запрета на обгон, а также позволит судоводителям совершать безопасное плавание в условиях ограниченной видимости или её отсутствия.

Метод высокоточного местоопределения Precise Point Positioning

Существует ещё один метод высокоточного местоопределения Precise Point Positioning (PPP, позиционирование высокой точности). Стандартным можно назвать режим высокоточного абсолютного местоопределения, в котором отсутствует разрешение целочисленной неоднозначности. Данный режим появился первым, в англоязычной литературе он обозначается как Float PPP. При использовании разрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений режим высокоточного абсолютного местоопределения принято называть Integer PPP.

РРР в отличии от RTK не требует привязки к сети базовых станций. Данные поправок для метода PPP реализуются службой точного позиционирования, т. к. он требует точной эфеме-ридно-временной информации (ЭВИ) в режиме реального времени. Их можно получить в случае использования сети базовых станций ГНСС по всему миру. Собранная со станций информация об эфемеридах и поправках к часам навигационных спутников обрабатывается и хранится на серверах Международной службы ГНСС IGS (International GNSS Service), откуда распространяется бесплатно по сети интернет (рис. 4) [7].

Недостатком традиционной модели измерений и местоопределения является длительный период сходимости, т. е. сантиметровый уровень точности достигается через несколько часов обработки измерений. Известно, что высокая точность одномоментных относительных место-определений, достигаемая в методе RTK, связана с фактом учёта целочисленной природы неоднозначности псевдофазовых измерений [8]. Но в традиционной модели измерений и в базирующимся на её основе методе Float PPP, который получил широкое распространение, псевдофа-

зовые неоднозначности спутников оцениваются как действительные величины, поскольку в традиционной математической модели измерений псевдофазы присутствуют немоделируемые аппаратурные смещения, которые в процессе оценивания не удаётся отделить от целых значений неоднозначности [9, 10].

Рис. 4. Станции IGS

Основным достоинством метода РРР является отсутствие ограничений на удаление приёмника потребителя от опорной станции, которые есть в методах RTK, - потребитель может находиться в удалённых и труднодоступных местах. Единственным необходимым условием является возможность доступа к высокоточной ЭВИ и ряду геофизических параметров. На рис. 5 представлены некоторые факторы, влияющие на время сходимости решения [11]. При реализации высокоточного местоопределения РРР в реальном времени, в удалённых местах, для доставки указанных необходимых внешних данных может использоваться канал спутниковой связи (например, с геостационарных спутников) или высокоточная ЭВИ [12].

Рис. 5. Точность и время сходимости РРР

Точность местоопределения

В России в настоящее время развёрнута система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ), на основании которой также формируется высокоточная ЭВИ. Из рис. 6 видно, что российский сервис высокоточного местоопределения ЭВИ от службы IGS обеспечивает более высокую точность определения координат, чем ЭВИ от сети СДКМ. Рис. 7 даёт возможность оценить зависимость средней трёхмерной ошибки местоопределения от времени измерений методами Float PPP и Integer PPP.

Средняя

Рис. 6. Зависимость средних 3Б-ошибок реализованного алгоритма и российского сервиса при обработке измерений двух вариантов ЭВИ

Средняя

Рис. 7. Зависимость трёхмерной ошибки местоопределения

3D-ошибка вычисляется согласно выражению

3der ,

где ХЕТ, - эталонные высокоточные координаты станции; X, Z - вычисленные оценки координат станции.

Достоверность средних ошибок для интервалов разных длительностей отличается, т. к. усреднение производилось по различному числу опытов. Средняя 3D-ошибка:

N

£ 3DeR.

3D = —

3der

N

где 3DERi - 3D-ошибка в /-ом опыте высокоточного местоопределения на интервале измерений заданной длительности; N - число опытов высокоточного местоопределения на интервале измерений заданной длительности.

Применение широко распространённого метода высокоточного относительного место-определения RTK в ряде случаев требует использования для реализации дополнительного оборудования, помимо приёмника потребителя. Платные услуги по передаче корректирующей информации с базовых станций делают способ дорогим. В труднодоступных и удалённых районах при осуществлении высокоточной привязки точек на местности (стационарные точки с известными координатами) покрытие мобильной сети может отсутствовать. При этом метод РРР возможно применять в регионах с низкой плотностью опорных станций или в труднодоступных и удалённых областях, где отсутствует возможность установки базовой станции RTK [13, 14]. Решение этих проблем в рамках использования этих методов на ВВТ может стать метод высокоточного местоопределения РРР^ТК, особенностью которого является использование потребителем атмосферных коррекций, вычисленных в пределах локальной или региональной сети, а также меньший период сходимости.

Заключение

Внедрение на ВВТ систем высокоточного местоопределения, обеспечивающих сантиметровую точность, позволит вывести судовождение на ВВП на новый уровень. Использование СОЭНКИ, в которой гарантирована точность нанесения места судна на ЭНК, позволит судоводителю совершать безопасное плавание в ночное время, в условиях ограниченной видимости и её отсутствие. Точное позиционирование относительно оси судового хода даст возможность управлять судном полностью в автоматическом режиме, а также использовать роботизированные объекты водного транспорта, способные совершать безопасные рейсы по набору путевых точек, привязанных к географическим координатам [15].

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Каретников В. В., Сикарев А. А. Топология дифференциальных полей и дальность действия контрольно-корректирующих станций высокоточного местоопределения на внутренних водных путях: моногр. СПб.: СПГУВК. 2008. 353 с.

2. Евстафьев О. В. Наземная инфраструктура ГНСС для точного позиционирования. М.: Проспект, 2009. 48 с.

3. Langley R. B. RTK GPS // GPS World. September 1998. URL: http://www2.unb.ca/gge/Resources/ gpsworld.september98.pdf (дата обращения: 15.03.2018).

4. HxGN SmartNet. URL: http://smartnet-ru.com (дата обращения: 17.03.2018).

5. Сеть постоянно действующих базовых станций RTKNet. URL: http://rtknet.ru/ (дата обращения: 17.03.2018).

6. Система HIVE. Все базовые станции через единый интерфейс, без неудобств и переплаты. URL: https://hive.geosystems.aero (дата обращения: 17.03.2018).

7. International GNSS Service (IGS). URL: http://www.igs.org/network (дата обращения: 20.04.2018).

8. Wübbena G., Willgalis S. State Space Approachfor Precise Real Time Positioningin GPS Reference Networks. URL: http://www.geopp.de/pdf/kis2001.pdf (дата обращения: 10.03.2018).

9. John Aggrey, Sunil Bisnath. Analysis of multi-GNSS PPP initialization using dual- and triple-frequency data. URL: https://www.researchgate.net/publication/325283798_Analysis_of_multi-GNSS_PPP_initialization_ using_dual-and_triple-frequency_data (дата обращения: 01.03.2018).

10. Wubbena G., Schmitz M., Bagge A. PPP-RTK: Precise Point Positioning Using State-Space representationin RTK networks. URL: http://www.geopp.de/pdf/ion2005_fw.pdf (дата обращения: 29.02.2018).

11. Метод высокоточного позиционирования Precise Point Positioning. URL: https://www.youtube.com/ watch?v=hNUbis1 H6j0&t= 1680s (дата обращения: 29.02.2018).

12. Дворкин В. В., Карутин С. Н., Глухов П. Б., Подкорытов А. Н. Перспективный высокоточный комплекс функционального дополнения глобальных навигационных систем на базе системы дифференциальной коррекции и мониторинга // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 1. С. 23-31.

13. Виноградов А. В., Войтенко А. В., Жигулин А. Ю. Оценка точности метода Precise Point Positioning и возможности его применения при кадастровых работах // Геопрофи. 2010. № 2. С. 27-30.

14. Подкорытов А. Н. Высокоточное определение координат потребителя в абсолютном режиме в глобальных навигационных спутниковых системах с использованием разрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений. Информационно-измерительные и управляющие системы // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2012. № 10. С. 45-51.

15. Каретников В. В., Пащенко И. В., Соколов А. И. Перспективы внедрения безэкипажного судоходства на внутренних водных путях РФ // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2017. № 3 (43). C. 619-627. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-619-627.

Статья поступила в редакцию 27.05.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Пащенко Иван Владимирович — Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры судоходства на внутренних водных путях; ivanpashchenko@rambler.ru.

Козлов Владислав Витальевич — Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; аспирант кафедры судоходства на внутренних водных путях, vlkz_1@mail.ru.

Соколов Андрей Игоревич — Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; аспирант кафедры судоходства на внутренних водных путях; sokolov.ai@bk.ru.

I. V. Pashchenko, V. V. Kozlov, A. I. Sokolov

IMPLEMENTING METHODS OF HIGH-PRECISION POSITIONING ON INLAND WATER WAYS OF THE RUSSIAN FEDERATION

Abstract. The article discusses communication facilities for transmitting corrections and ephemeris data, analyzes methods of calculating errors of satellite position finding, and gives results of field tests for determining accuracy of the location for Real Time Kinematic and Precise Point Positioning modes. There has been carried out a survey of the existing functioning differential satellite subsystems, satellite differential correction and monitoring systems. The methods of differential coordinate correction currently used on the inland water transport provide accuracy within 1 -5 meters. As in the unmanned mode the given accuracy is not sufficient, there appears the need to develop methods for calculating location finding with centimeter precision. Precise positioning relative to the axis of the ship's course will make it possible to control the vessel in the unmanned mode, as well as to use robotic facilities on water transport capable of making safe voyages on a set of waypoints tied to geographical coordinates.

Key words: Real Time Kinematic, Precise Point Positioning, global navigational satellite system GLONASS, inland waterways, monitoring system, control-correcting station, differential field, safety of navigation.

REFERENCES

1. Karetnikov V. V., Sikarev A. A. Topologiia differentsial'nykh polei i dal'nost' deistviia kontrol'no-korrektiruiushchikh stantsii vysokotochnogo mestoopredeleniia na vnutrennikh vodnykh putiakh [Topology of differential fields and coverage of control-correcting stations of precise location on inland waterways]. Saint Petersburg, Izd-vo SPGUVK, 2008. 353 p.

2. Evstafev O. V. Nazemnaia infrastruktura GNSS dlia tochnogo pozitsionirovaniia [Land infrastructure GNSS for precise positioning]. Moscow, Prospekt Publ., 2009. 48 p.

3. Langley R. B. RTK GPS. GPS World. September 1998. Available at: http://www2.unb.ca/gge/ Resources/gpsworld.september98.pdf (accessed 15.03.2018).

4. HxGNSmartNet. Available at: http://smartnet-ru.com (accessed 17.03.2018).

5. Set'postoianno deistvuiushchikh bazovykh stantsii RTKNet [Network of standing base stations RTKNet]. Available at: http://rtknet.ru (accessed 17.03.2018).

6. Sistema HIVE. Vse bazovye stantsii cherez edinyi interfeis, bez neudobstv i pereplaty [HIVE system. All base stations through unified interface, without inconveniences and overpayment]. Available at: https://hive.geosystems.aero (accessed 17.03.2018).

7. International GNSS Service (IGS). Available at: http://www.igs.org/network (accessed 20.04.2018).

8. Wubbena G., Willgalis S. State Space Approachfor Precise Real Time Positioningin GPS Reference Networks. Available at: http://www.geopp.de/pdf/kis2001.pdf (accessed 10.03.2018).

9. John Aggrey, Sunil Bisnath. Analysis of multi-GNSSPPP initialization using dual- and triple-frequency data. Available at: https://www.researchgate.net/publication/325283798_Analysis_of_multi-GNSS_PPP_initialization_using_dual-and_triple-frequency_data (accessed 01.03.2018).

10. Wubbena G., Schmitz M., Bagge A. PPP-RTK: Precise Point Positioning Using State-Space representa-tionin RTK networks. Available at: http://www.geopp.de/pdf/ion2005_fw.pdf (accessed 29.02.2018).

11. Metod vysokotochnogo pozitsionirovaniia Precise Point Positioning [Precise Point Positioning method of precise positioning]. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=hNUbis1H6j0&t=1680s (accessed 29.02.2018).

12. Dvorkin V. V., Karutin S. N., Glukhov P. B., Podkorytov A. N. Perspektivnyi vysokotochnyi kompleks funktsional'nogo dopolneniia global'nykh navigatsionnykh sistem na baze sistemy differentsial'noi korrektsii i monitoringa [Promising precise complex of functional addition of global navigation systems based on the system of differential correction and monitoring]. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki, 2013, no. 1, pp. 23-31.

13. Vinogradov A. V., Voitenko A. V., Zhigulin A. Iu. Otsenka tochnosti metoda Precise Point Positioning i vozmozhnosti ego primeneniia pri kadastrovykh rabotakh [Assessment of accuracy of Precise Point Positioning method and possibility of its use in cadastral surveys]. Geoprofi, 2010, no. 2, pp. 27-30.

14. Podkorytov A. N. Vysokotochnoe opredelenie koordinat potrebitelia v absoliutnom rezhime v glob-al'nykh navigatsionnykh sputnikovykh sistemakh s ispol'zovaniem razresheniia tselochislennoi neodnoznachnosti psevdofazovykh izmerenii. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliaiushchie sistemy [Precise user positioning in absolute mode in global navigation satellite systems using integral ambiguity resolution of pseudophase measurements. Data computing and control systems]. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliaiushchie sistemy, 2012, no. 10, pp. 45-51.

15. Karetnikov V. V., Pashchenko I. V., Sokolov A. I. Perspektivy vnedreniia bezekipazhnogo sudokhodstva na vnutrennikh vodnykh putiakh RF [Prospects of adoption of unmanned navigation in inland water ways of the Russian Federation]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2017, no. 3 (43), pp. 619-627. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-619-627.

The article submitted to the editors 27.05.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Pashchenko Ivan Vladimirovich — Russia, 198035, Saint Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Navigation on Inland Waterways; ivanpashchenko@rambler.ru.

Kozlov Vladislav Vitalevich — Russia, 198035, Saint Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Postgraduate Student of the Department of Navigation on Inland Waterways; vlkz_1@mail.ru.

Sokolov Andrei Igorevich — Russia, 198035, Saint Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Postgraduate Student of the Department of Navigation on Inland Waterways; sokolov.ai@bk.ru.