Проблемы и перспективы развития активных спутниковых геодезических сетей в России и их интеграции в ITRF
Вдовин В.С. (АО «РКС»), Дворкин В.В. (АО «РКС»), Карпик А.П. (ФГБОУ ВО «СГУГиТ»), Липатников Л.А. (@Lipatnikov_l ФГБОУ ВО «СГУГиТ»), Сорокин С.Д.(@sd) , Стеблов Г.М.(ЕГС РАН)
Состояние совокупности базовых станций России
Всего проанализировано 1514 записей о базовых станциях. Предварительно выявлено 1035 уникальных станций, действующих на начало апреля 2017 г.
Сети федерального масштаба:
- ФАГС,
- Сеть Международной ГНСС-службы (IGS),
- HIVE,
- PrinNet,
- SmartNet Russia,
- EFT,
- ООО «Геостройизыскания»,
Региональные сети базовых станций:
- Красноярского края,
- Новосибирской области,
- республики Бурятия,
- республики Чувашия,
- республики Коми.
Международная земная координатная основа ITRF
International Terrestrial Reference Frame – Международная координатная основа, наиболее совершенная реализация общеземной системы координат ITRS.
Последняя версия ITRF2014.
Геодезическая сеть Международной службы вращения Земли и систем отсчёта (МСВЗ), лежащая в основе координатной основы ITRF, объединяет следующие сети станций:
- Международной службы лазерной локации (ILR),
- Международной службы радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (IVS),
- Доплеровской орбитографической радиопозиционной интегрированной спутниковой системы (DORIS),
- Международной ГНСС-службы (IGS).
Интеграция постоянно действующих базовых станций ГНСС в ITRF происходит через включение станции в сеть Международной ГНСС-службы (IGS).
Сеть базовых станций IGS
С января 2017 года Международная ГНСС-служба IGS использует собственную версию координатной основы – IGS14. На практике IGS14 и ITRF2014 можно считать эквивалентными.
Для включения в сеть IGS станции должны соответствовать самым жёстким требованиям к устойчивости центра геодезического пункта и условиям приёма радиосигналов ГНСС.
Вклад России в IGS\ITRF постепенно становится более скромным, что, вероятно, связано с повышением требований к станциям.
Если в составе координатной основы IGS08 российских станций было 12, в новейшей координатной основе IGS14 – всего 8.
Проблема оценки качества станций
Согласно ст. 9 закона № 431-ФЗ задача разработки требований к специальным геодезическим сетям гражданского назначения, включая сети ДГС, возложены на Минэкономразвития.
Насколько нам известно, такие требования в настоящее время ещё не разработаны. Эти требования являются, по сути, минимальными. Очевидно, что они не могут основываться на инструкции IGS, так как в этом случае подавляющее большинство базовых станций в России было бы признано непригодным для использования.
В качестве основы для обязательных требований, скорее, подойдёт инструкция Геодезической службы США (NGS) по созданию постоянно действующих базовых станций ГНСС (Continuously Operating Reference Stations – CORS).
При этом следует учитывать, что обязательные требования будут устаревать, а значит, при создании новых станций операторам следует ориентироваться, скорее, не на обязательные требования, а на рекомендации, обеспечивающие повышенное качество. За основу таких рекомендаций могут быть приняты рекомендации IGS.
Проблема идентификации базовых станций
Наличие уникального идентификатора у каждой станции – необходимое условие интеграции станций в единую геодезическую сеть.
Основные способы идентификации базовых станций:
- четырёхзначный код станции (ARTU)
- код центра пункта ITRF - DOME № (12362M001)
- «длинное» название IGS (ARTU00RUS)
- произвольное имя станции, чаще название населенного пункта (Arti)
В результате анализа выборки из 1035 уникальных действующих базовых станций России выявлено 119 коллизий — разные станции имеют одинаковые обозначения.
Кроме того, выявлено 196 станций, имеющих разные обозначения в разных сетях.
Необходимо создание единого реестра базовых станций.
Проблема накопления данных
Большая часть сетей БС в России предлагает пользователям данные измерений за небольшой период времени: 3 месяца, полгода, год. Более продолжительное хранение данных на своих серверах с точки зрения оператора может быть экономически не целесообразным.
Исторические данные измерений необходимы для создания высокоточной координатной основы, то есть требуется организовать их накопление.
Предлагается создать центр хранения данных ГНСС-измерений по образцу центров IGS на базе профильного вуза или НИИ. Операторы сетей ДГС по истечении некоторого оговоренного срока с эпохи измерений передавали бы данные ГНСС-измерений в этот центр для хранения на безвозмездной основе, а центр, в свою очередь, на безвозмездной основе обеспечивал бы свободный доступ к данным.
Основные требования NGS
Вот некоторые основные требования, предъявляемые к базовым станциям Национальной геодезической службой США для включения в сеть CORS:
- оборудование на станции способно выполнять измерения как минимум на двух частотах (L1 и L2);
- над горизонтом станции наблюдается не менее 10 спутников;
- приёмник обеспечивает измерение псевдодальностей по C/A или P-коду на частоте L1;
- кодовые обозначения моделей приёмника, антенны и её защитного кожуха должны присутствовать в списках разрешённого оборудования;
- пункт должен быть оборудован устройством принудительного центрирования и ориентирования антенны;
- антенна должна быть ориентирована на истинный север;
- оператором станции должны быть предоставлены данные об оборудовании, включая строго регламентированный набор фотографий и журнал станции по образцу, принятому IGS с указанием всех изменений за время эксплуатации;
- записанные данные измерений находятся в свободном доступе;
- интервал измерений не более 30 с;
- станция подключена к сети «Интернет»;
- оператор берёт на себя обслуживание станции и соглашается применять значения координат станции, определённые национальной геодезической службой.
Проблемы технологического характера
-
Потребитель, выполняющий высокоточные спутниковые геодезические работы, вынужден выполнять пересчёт координат ITRF с текущей эпохи на «нулевую» эпоху ГСК‑2011 (01.01.2011 г.) на свой страх и риск, потому что в Приказе Росреестра N П/0134 от 23.03.2016 [27], устанавливающем параметры связи ГСК-2011 с другими системами координат, ничего об учёте скоростей не сказано. Хуже всего то, что зачастую результаты работ, выполненных на текущую эпоху, затем сразу пересчитываются в другие узаконенные системы координат (СК‑42, СК‑95, СК—63 и МСК). Это уже привело к нарастающему кому ошибок в отчётных материалах.
-
С введением Приказом Росреестра от 23.03.2016 N П/0134 появилась по сути, альтернативная стандартная система параметров связи между различными системами координат, не соответствующая ранее принятым и до сих пор действующим документам Руководством ГКИНП (ГНТА)–06-278-04, ГОСТ 32453-2013 и Справочным документом ПЗ-90.11. Получается, что результаты преобразования будут отличаться, в зависимости от того, каким официальным документом пользоваться.
-
Одна из важнейших концептуальных задач высокоточного координатно-временного обеспечения (ВКВО) не выполнена: к 2014 году, как было запланировано в Концепции, федеральная спутниковая дифференциальная сеть не создана. Но, как было отмечено выше, в Российской Федерации созданы и развиваются региональные и коммерческие СВТП и отраслевые ДПС, и на их основе сервисы предоставления корректирующей, и в том числе дифференциальной, информации ГНСС. Проблемой является то, что указанные СВТП и ДПС без принятия специальных мер не только нормативного и организационного, но и технологического характера, не могут стать основой для развития спутниковых геодезических сетей в России.
-
Одной из концептуальных задач модернизации и развития существующей государственной координатной основы была разработка программного обеспечения (ПО) для выполнения обработки результатов наблюдений ГНСС в высокоточной геоцентрической системе координат Российской Федерации. Проблемой является то, что эта задача к настоящему времени не выполнена, и, насколько нам известно, в планах Росреестра создание такого ПО не предусмотрено.
-
В настоящее время никак не регулируется применение зарубежных онлайн-сервисов высокоточного спутникового позиционирования и системы функциональных дополнений спутникового базирования, таких как GDGPS, StarFire, AUSPOS, TerraStar, NovAtel Correct, Leica SmartLink, Trimble RTX и другие. В условиях острой и высокотехнологичной конкурентной борьбы указанные сервисы динамично развиваются и предлагают эффективные и регулярно обновляющиеся решения. Проблемой является то, что государство не участвует в регулировании таких сервисов, не оценивает существующие и потенциальные риски и угрозы, связанные с их бесконтрольным применением.
-
Теория, методы и технологии спутникового позиционирования развиваются не только отдельными государствами, но и на международном уровне под эгидой таких организаций как Международная ассоциация геодезии (IAG), Международный комитет по ГНСС (ICG), Международная электротехническая комиссия (IEC). Проблемой является то, что Российская Федерация в части спутниковой геодезии и спутникового позиционирования слабо участвует в работе этих организаций, а вырабатываемые ими документы в большинстве случаев на русский язык не переводятся и не адаптируются.
Проблемы правового характера
-
Из определения в законе № 431-ФЗ не ясно, подпадают ли под понятие дифференциальных геодезических станций (ДГС) пункты ВГС или СГС-1, в том случае если исполнителем геодезических работ на них временно установлена геодезическая аппаратура ГНСС.
-
Нормативного регулятора по отнесению к ДГС электронных устройств в настоящее время ещё нет, поэтому не ясно, относятся ли к дифференциальным геодезическим станциям, не менее 1000 БС ГНСС, работающих в региональных и коммерческих системах высокоточного спутникового позиционирования (СВТП), и несколько сотен контрольно-корректирующих станций (ККС), работающих в дифференциальных подсистемах (ДПС) ГНСС, а именно, в широкозонной ДПС (ШДПС) – Системе дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) Роскосмоса; в отраслевых ДПС Минтранса России (морская ДПС, авиационные локальные ДПС (ЛДПС), речные ДПС, автомобильные ДПС, железнодорожные ДПС); и некоторых других.
-
ДГС как электронные устройства, принимающие сигналы ГНСС, подпадают под действие ФЗ «О навигационной деятельности» (ФЗ № 22‑ФЗ). Согласно данному ФЗ координаты всех БС (КС) и ККС являются открытыми (т.е. без ограничения точности определения их координат), за исключением тех БС (КС) и ККС, которые установлены на территориях и объектах, для которых законодательством Российской Федерации установлен особый режим безопасного функционирования. Проблемой является то, что статья 8 данного ФЗ не детализирована в отношении ДГС, поэтому непонятно, являются ли координаты пунктов СДГС открытыми, т.к. СДГС – это геодезические сети специального назначения, координаты пунктов которых, как и пунктов геодезических сетей в целом, кроме пунктов ФАГС, подпадают под ограничения по точности определения их координат.
-
Проблемным является также вопрос, является ли информация ДГС, необходимая для повышения точности определения координат в результате выполнения геодезических работ с использованием ГНСС, навигационной информацией, как она определена в ФЗ № 22‑ФЗ. Эта проблема касается, в первую очередь, стандартизации, в том числе и на международном уровне, интерфейсных протоколов информации ДГС и навигационной информации ГНСС, таких как RINEX, RTCM‑104 и некоторых других.
-
Проблемой является то, что ни одна задача Концепции развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года в части создания и развития федеральной спутниковой дифференциальной сети геодезических станций за прошедшие семь лет не выполнена. Причин невыполнения таких задач несколько, и отсутствие финансирования из средств федерального бюджета - не главная из них. Одна из главных причин – неучёт в Концепции правовых норм и технологических реалий, в том числе за рубежом, развития технологий и систем спутникового позиционирования (СП), в том числе СВТП, на базе ГНСС в интересах всех сфер экономики.
Актуальные задачи
-
Развитие спутниковых геодезических сетей в России нуждается в более тщательной, разносторонней и взвешенной нормативной подготовке. Существующая нормативная база развития спутниковых геодезических сетей в России недостаточна, противоречива и отстаёт от современных реалий. Прежде всего, должны быть гармонизированы ФЗ “О геодезии, картографии и пространственных данных и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации” и ФЗ «О навигационной деятельности» не только между собой, но и с иными законодательными актами, имеющими отношение к развитию спутниковых геодезических сетей (например, с ФЗ «О космической деятельности», ФЗ «О связи»). После гармонизации законодательной базы необходимо разработать и/или переработать подзаконные нормативно-правовые и нормативно-технические документы, регулирующие создание и развитие спутниковых геодезических сетей. Прежде всего, нуждается в переработке Концепция развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года.
-
В рамках разработки и корректировки нормативной базы необходимо:
- детализировать понятия «высокоточное координатно-временное обеспечение», «спутниковая геодезическая сеть», «дифференциальная геодезическая станция», «спутниковая дифференциальная сеть», «сеть дифференциальных геодезических станций», «система спутникового позиционирования», «базовая (референцная) станция», «корректирующая информация», «навигационная информация», «дифференциальная поправка» и некоторые другие;
- разделить функционал спутниковых геодезических сетей, сетей дифференциальных геодезических станций и систем спутникового позиционирования. При этом необходимо иметь в виду, что системы высокоточного спутникового позиционирования уже порядка 10 лет развиваются в России и наработали определённый опыт развития, который необходимо учитывать;
- точно и строго определить порядок использования систем координат во всех спутниковых сетях и системах.
-
Должны быть разработаны и реализованы на нормативном, организационном и технологическом уровнях режимы обработки информации в спутниковых геодезических сетях. При этом ничего особенного здесь придумывать не надо – многим специалистам, в т.ч., разработчикам, известны и используются зарубежные и международные стандарты обработки информации в спутниковых геодезических сетях и спутниковых системах позиционирования. К ним относятся три основных режима (PP, RTK, PPP) и их разновидности. Как было отмечено выше, использование этих режимов предполагает обмен информацией в формате RINEX, а также по протоколу RTCM‑104, которые также необходимо установить для использования в РФ в качестве стандартных. При этом у операторов должна быть возможность использования других форматов и протоколов в качестве в дополнение к стандартным, но не в качестве замены. Описание используемых стандартов и протоколов должно быть опубликовано на русском языке.
-
Инфраструктурной основой развития спутниковых геодезических сетей должна быть не только ФАГС Росреестра, но и другие высокоточные системы и сервисы федерального значения, такие как сеть IGS ЕГС РАН, СДКМ Роскосмоса и некоторые другие. При информационном объединении ФАГС и сети IGS ЕГС РАН вопрос интеграции спутниковых геодезических сетей в ITRF из проблемной плоскости переходит в правовую и технологическую. Информационному объединению спутниковых геодезических сетей с ФАГС, сетью IGS ЕГС РАН, СДКМ Роскосмоса могут способствовать облачные технологии спутникового позиционирования, реализованные на базе таких систем, как HIVE. Логичным итогом информационного объединения спутниковых геодезических сетей могла бы стать федеральная служба спутниковых геодезических сетей.
-
Учитывая, что технологической альтернативой спутниковым геодезическим сетям при высокоточных определениях координат является технология PPP, необходимо идти по пути не наращивания конкуренции между ними, а, как это делается за рубежом и на международном уровне, создания интегрированных технологий, например, таких как технология RTK-PPP.
-
Важным технологическим аспектом создания на базе сетей БС спутниковых геодезических сетей является унификация ГНСС-приёмников БС и введение единого механизма их калибровки.
-
Учитывая явно просматриваемую особую роль инфраструктуры высокоточного позиционирования РФ в информационном объединении спутниковых геодезических сетей, логичным является принятие специального законодательного акта в отношении инфраструктуры высокоточного позиционирования РФ.
Заключение
В сложившихся условиях интеграция отечественных активных геодезических сетей представляет собой сложную задачу. Первостепенным приоритетом должно являться объединение базовых станций внутри страны. Наиболее разумной с точки зрения эффективности и осуществимости в обозримые сроки представляется такая форма интеграции российских сетей базовых станций, при которой:
- все базовые станции соответствуют минимальным обязательным требованиям Минэкономразвития, которые целесообразно разработать на основе требований NGS;
- максимальное число станций соответствует более высоким требованиям IGS;
- поощряется включение российских станций непосредственно в сеть IGS/ITRF;
- базовые станции на территории России, ориентированные на использование в геодезических целях, (и, по возможности, сопредельных государств) виртуально (на уровне обмена данными) объединены в единую геодезическую сеть для её уравнивания и постоянного мониторинга,
- обеспечивается свободный доступ к архиву данных ГНСС-измерений и журналам станций.
Можно выделить следующие масштабные задачи, без решения которых невозможно дальнейшее развитие высокоточного координатно-временного обеспечения в России:
- гармонизация законодательства;
- дополнение и уточнение нормативно-технической документации;
- разработка программного обеспечения и создание эффективных онлайн-служб.
Решение этих задач необходимо. Следует ожидать, что оно потребует времени.
Помимо них следует выделить ряд шагов, которые могут быть предприняты прямо сейчас и позволят создать некоторый задел для будущей интеграции базовых станций и их эффективного применения в рамках единой высокоточной координатной основы России:
- операторам предлагается устранить выявленные коллизии идентификаторов (см. приложение);
- предлагается сформировать и вести на добровольной основе единый общедоступный реестр базовых станций и журналы, отражающие состояние станций по образцу IGS;
- предлагается создать на базе одной из профильных научных или образовательных организаций FTP-архив для хранения и предоставления открытого доступа к данным ГНСС-измерений и журналам станций, в который операторы сетей могли бы добровольно передавать данные по истечении некоторого срока с момента измерений.
Материал подготовлен на основе одноимённой презентации, представленной на Пленарном заседании XIII Международного научного конгресса «Интерэкспо Гео-Сибирь 2017», Новосибирск, 19-21 апреля 2017 г.