Точность и качество геодезических измерений напрямую зависит от методики замеров. Еще 20 лет назад геодезические измерения на основе сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем были доступны не всем. И тому было несколько причин:
- Высокая стоимость оборудования;
- Наличие всего одной полноценной Глобальной Спутниковой Системы Навигации — GPS (Navstar, США);
- Доступность к наземному приему всего двух навигационных сигналов (L1, L2).
И если первый пункт был условно формальным ограничением, то второй и третий существенно сказывались на технической возможности проведения ГНСС измерений. По факту, ГНСС измерения проводили лишь на открытых пространствах (за городом) методом статических и кинематических замеров.
Но с развитием и расширением Глобальных Спутниковых Навигационных Систем ситуация стала меняться. Космический сегмент пополнился аппаратами Glonass (РФ), Beidou (КНР) и Galileo (ЕС) [1], что в свою очередь привело к увеличению навигационных сигналов, доступных для наземного приема.
ГНСС измерения делятся на несколько методов [2]:
- Статика. Два ГНСС приемника, один устанавливается на известной точке, второй на определяемой. Далее осуществляется многочасовой сбор данных, при этом оба приемника неподвижны [3]. Для получения результата необходимо собранные данные обработать на персональном компьютере с использованием специализированного программного обеспечения;
- Кинематика. Два ГНСС приемника, один устанавливается на известной точке, второй перемещается от точки к точке и осуществляет сбор данных. Для получения результата необходимо собранные данные обработать на персональном компьютере с использованием специализированного программного обеспечения. Данный метод не применяется вследствие развития метода RTK;
- Кинематика реального времени (Real Time Kinematic, RTK). Два ГНСС приемника, один устанавливается на известной точке, второй перемещается от точки к точке и осуществляет сбор данных [4]. Но принципиальным отличием данного метода является возможность получения результата непосредственно в момент измерения. Данная возможность реализована за счет on- line связи двух ГНСС приемников.
На текущий момент времени, связь двух ГНСС приемников может быть осуществлена посредством двух типов модемов: GPRS и УВЧ [5]. Несмотря на то, что GPRS канал связи по праву можно считать более совершенным и более комфортным для использования, УВЧ канал связи не утратил своей актуальности. И причина тому в отсутствии 100%-го GPRS покрытия территории страны. Поэтому на текущий момент GPRS канал связи применяется в городах и там, где это физически доступно. Для всех остальных территорий остается только один канал связи — УВЧ.
Практически все современные производители ГНСС оборудования комплектуют свои устройства УВЧ модемом небольшой мощности (в пределах 1-2Вт). А в своей технической документации указывают предельную дальность действия не более 10 км. Для современных ГНСС измерений в режиме RTK 10 км. — крайне небольшой показатель [6]. Зная об этом, производители рекомендуют использовать внешние УКВ модемы с мощностью от 25 до 35Вт [7]. Однако использование такого устройства имеет ряд существенных ограничений:
- Разрешительные документы. Применение УВЧ модема с мощностью 25-35Вт требует специального разрешения и регламентируется государством [5];
- Дополнительное питание. Применение УВЧ модема с мощностью 25-35Вт требует мощного источника питания;
- Стоимость.
Цель эксперимента: выяснение практической дальности работы встроенного УВЧ модема в ГНСС оборудовании. Перед проведением экспериментальных работ были проделаны оценочные расчёты расстояния уверенной работы в режиме RTK. Дальность прямой видимости при нормальной атмосферной рефракции для дециметровых волн [8] определяется по формуле
где r0 – дальность прямой видимости, км; h1 – высота передающей УКВ антенны базы, м; h2 – высота приёмной УКВ антенны ровера, м.
Рассмотрим пример использования антенно-фидерного устройства при выполнении геодезических работ на холмистой местности:
- превышение высот базы относительно ровера составляет 77 метров
- высота УВЧ антенны передатчика (ГНСС приёмник работает в режиме базы – передаёт дифференциальные поправки на ровер) равна 82,5 м;
- высота УВЧ антенны приёмника (ГНСС приёмник работает в режиме ровера – принимает дифференциальные поправки от базы) равна 2 м
Из формулы (1) находим ~ 43.25км. Полученное значение значительно превосходит заявленное производителями расстояние уверенного приёма поправок ровером от базы по радиоканалу.
Зависимость между мощностями сигналов передатчика и приёмника при распространении УВЧ в реальных условиях [8] определяется по формуле
где:
𝑃1 — излучаемая антенной мощность, Вт;
𝑃2 — принимаемая антенной мощность, Вт;
𝐷1 — коэффициент усиления УВЧ антенны передатчика;
𝐷2 — коэффициент усиления УВЧ антенны приёмника;
r — расстояние, проходимое электромагнитной волной от передатчика к приёмнику, м;
l — длина электромагнитной волны, м;
F – множитель ослабления
При логарифмировании уравнения (2) получим:
где 𝑃1дБм, 𝑃2дБм — мощности передатчика и приёмника выражены в дБ по отношению к мощности в 1мВт, а 𝐷1дБи, 𝐷2дБи – коэффициенты усиления изотропных УВЧ антенн, выраженные в дБ. Обозначим множитель ослабления, выраженный в децибелах, как 𝐹дБ = 20 lg 𝐹 и найдём его из графика зависимости его медианных значений от расстояния [9]. Для длины волны l = 67 см получаем 𝐹дБ ≈ −40 дБ, что согласуется с результатами, полученными в работе [10]. Подставляя в формулу (3) значения 𝑃1дБм = 30 дБм, 𝑃2дБм = −115 дБм, 𝐷1дБи=5,5 дБи,𝐷2дБи=4 дБи,𝐹дБ=−40дБ, получаем значение для 20lg(𝜆4𝜋𝑟)=−114,5 дБ, которое согласуется с данными работы [11]. Откуда легко получаем оценочное значение расстояния, проходимое электромагнитной волной от базы к роверу r = 28.3км.
Вышеприведённые оценки расстояния уверенной работы в режиме RTK с использованием внутренних радиомодемов мощностью 1Вт подтверждают тезис компании Satel, что в сельской местности радиомодем 1 Вт с прямой радиосвязью может выходить на расстояние более 20 км и даже до 50 км в идеальных условиях [12]. Для проведения ГНСС испытания было задействовано два ГНСС приемника от компании Stonex со встроенными УВЧ модемами (один приемник был установлен на штатив и выполнял функции базы, второй приемник выполнял функции передвижного ровера), полевой контроллер, радиомачта и радиоантенна. Питание оборудования осуществлялось за счет внутренних аккумуляторов. Рис.1.
Рисунок 1 — ГНСС комплект в сборе
Технические характеристики УВЧ модема и антенн, использованных для создания радиосвязи между базой и ровером:
- Радиомодем TRM121 (частотный диапазон 410 – 470МГц, мощность передачи 1Вт, чувствительность приема -115дБм, антенный разъем TNC, 50Ом);
- Штыревая УВЧ антенна QC430A (длина 108см, диапазон 430-450МГц, входное сопротивление 50Ом, усиление 5.5дБи, резьба 5/8″) с антенным кабелем 5м;
- Штыревая УВЧ антенна QT440GT (длина 29,3см, диапазон 430-450МГц, входное сопротивление 50Ом, усиление 4дБи, разъём TNCJ).
Находясь в движении, контроль удаления ровера от базы выполнялся посредством визуального считывания данных с контроллера. По достижении расстояния в 30 километров ровер был установлен на точке для снятия показаний. Рис.2.
Рисунок 2 — Расстояние 30.0032км
После удаления ровера от базы на 10 километров измерения проводились каждые 5 километров. На контрольных пунктах в 20, 25 и 30 километров ровер принимал поправку от базы, выдавал фиксированные решения с сантиметровой точностью, результаты измерений представлены в таблице 1.
Все измерения выполнены в статусе «Фиксированного решения». Фиксированное решение однозначно указывает на то, что ровер получает поправку от базы, канал связи стабилен и не имеет разрывов.
Расстояние
| 20 055.391м. | 25 073.746м. | 30 032.880м |
| Широта 049°35´12.460032ˮ Долгота 072°53´23.521014ˮ Высота над уровнем моря 494.4950 Север 5497071.6101 Восток 347494.2733 Высота 530.2710 Скорость 0.06 (0.02 avg) Угловой курс 72.20 Состояние ФИКС HRMS 0.020 VRMS 0.029 Спутники G7+R7+C16+E5/46 Diff режим AUTO Задержка 3.0 PDOP 0.70 HDOP 0.40 VDOP 0.60 UTC время 2021-10-28 05:57:22.0 Местное время 2021-10-28 01:57:22.0 Расстояние до базы 20 055.391 | Широта 049°32´47.656770ˮ Долгота 072°50´56.989026ˮ Высота над уровнем моря 536.2580 Север 5492681.8312 Восток 344423.5679 Высота 572.0377 Скорость 0.03 (0.01 avg) Угловой курс 344.32 Состояние ФИКС HRMS 0.012 VRMS 0.019 Спутники G8+R7+C16+E5/47 Diff режим AUTO Задержка 2.0 PDOP 0.70 HDOP 0.40 VDOP 0.60 UTC время 2021-10-28 06:08:21.0 Местное время 2021-10-28 02:08:21.0 Расстояние до базы 25073.746 | Широта 049°29´42.756852ˮ Долгота 072°54´10.498068ˮ Высота над уровнем моря 603.0910 Север 5486860.3426 Восток 348154.0122 Высота 638.9526 Скорость 0.07 (0.05 avg) Угловой курс 327.71 Состояние ФИКС HRMS 0.027 VRMS 0.038 Спутники G8+R6+C16+E6/48 Diff режим AUTO Задержка 5.0 PDOP 0.70 HDOP 0.40 VDOP 0.60 UTC время 2021-10-28 06:20:14.0 Местное время 2021-10-28 02:20:14.0 Расстояние до базы 30032.880 |
Полученные результаты подтверждают выдвинутые оценочные расчеты, позволяют с уверенностью утверждать об эффективности приведенного метода передачи поправки от базы к роверу.
Применение антенно-фидерного устройства и рельефа местности позволило в три раза увеличить радиус распространения радиосигнала без увеличения мощности. При этом стоимость такого решения в 10 раз меньше по сравнению с решениями, предлагаемыми производителями ГНСС оборудования.