Балтышев А.С., Сейтмуханов Б.Б.
ГЕОПРОСТРАНСТВЕННАЯ ПЛОТНОСТЬ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ «LEICA» И «TRIMBLE» В ПРЕДЕЛАХ КАЗАХСТАНА *
Аннотация:
в статье рассматривается принцип работы режима RTK и особенности плотности распространения базовых станций GNSS компаний «Trimble» и «Leica» на территории Республики Казахстан. Проводится анализ их технических характеристик, алгоритмов обработки данных и точности навигации. Особое внимание уделяется геодезическому обзору, а именно расположению базовых станций и их влиянию на проведение геодезических и картографических работ. С помощью программного обеспечения QGIS проведён анализ плотности точек с применением тепловых карт, а также даны рекомендации по оптимизации сети базовых станций для повышения точности и эффективности геодезических работ в Казахстане.
Ключевые слова:
геодезические работы, станция, ровер
DOI 10.24412/2712-8849-2025-586-1630-1648
Введение. В настоящее время спутниковые навигационные системы широко используются в области геодезии и картографии. В Казахстане базовые станции компаний «Leica» и «Trimble» позволяют с высокой точностью определять координаты на основе технологии RTK (Real-Time Kinematic). На рынке страны продукция этих двух компаний выполняет на своем уровне различные работы по разным отраслям. Базовые станции спутниковых навигационных систем, особенно технология RTK, оказывают большое влияние на геодезические и картографические проекты Казахстана. Эти станции позволяют определять координаты в режиме реального времени с точностью до сантиметра, поэтому их использование в таких областях, как строительство, кадастр, сельское хозяйство, расширяется. Однако плотность распространения базовых станций и их географическое положение влияют на точность навигации, поэтому изучение этих аспектов особенно важно. Основная цель данного исследования-анализ плотности распределения данных базовых станций на территории Казахстана и оценка их эффективности в геодезических работах. В ходе исследования с помощью программного обеспечения QGIS были нанесены на карту координаты базовых станций, а также определены плотность точек и особенности местоположения.В настоящем исследовании наносится на карту плотность распространения базовых станций «Leica» и «Trimble» на территории Казахстана, анализируются их технические характеристики и принципы работы. Дополнительно с помощью тепловых карт определяются зоны концентрации станций и оценивается их эффективность. Результаты исследования дают рекомендации, направленные на оптимизацию сетей базовых станций в Казахстане и повышение точности геодезических работ.Кроме того, данные, полученные с помощью тепловых карт, были визуализированы и показаны уровни концентрации станций в определенных областях. Полученные в статье результаты дают рекомендации, способствующие эффективному использованию навигационных систем в Казахстане и повышению качества работ в области геодезии.1. Принцип работы базовых референсных станций.Сеть справочных станций наземной навигационной спутниковой системы непрерывного действия более эффективна, чем традиционные триангуляционные и ходовые сети. Такая линия может быть любого размера. Одной или двух отдельных справочных станций может быть достаточно для местного региона, города, муниципалитета, открытой шахты или строительной площадки, в то время как большой регион, регион или вся страна нуждаются в сети, состоящей из нескольких станций, для обеспечения полной службы глобальной спутниковой системы навигации (GNSS) [1].Станции устанавливаются в удобных местах, где это необходимо, а не на удаленных холмах, как на традиционных линиях. Геометрия сети не так важна, но точность будет выше и стабильнее. Пользователи устанавливают свои полевые приемники на территории, в которой они работают, загружают данные справочных станций через интернет и рассчитывают свои позиции. Станции также предлагают возможность передавать данные RTK и DGPS непосредственно на оборудование RTK и геоинформационной системы (ГИС).Принцип работы референц-станций основан на использовании методов позиционирования в реальном времени (Real-Time Kinematic, RTK) и дифференциального GPS (DGPS) для повышения точности спутниковой навигации. Их основная функция-отслеживать сигналы со спутников и исправлять в них ошибки. Станция Референц принимает сигналы от спутниковых навигационных систем Земли, таких как GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou. Но их точность нарушается атмосферными помехами, ошибками на спутниковых орбитах и другими факторами [1].Станция расположена в известной точке с постоянными и точными геодезическими координатами. Рассчитывается разница между этими установленными точными координатами и координатами, рассчитанными по спутниковым сигналам. Это различие позволяет обнаруживать ошибки на расстоянии от станции референц до спутников. Референц-станции распространяют поправки по специальным каналам связи. Эти системы связи могут осуществляться через радиочастотные сигналы, сети интернет или сотовую связь. Приемники, принимающие поправки, с большей точностью определяют точные координаты, поскольку они используют данные, полученные со станции референц, для исправления ошибок в спутниковых сигналах. Приемник может использовать скорректированные данные и определять свое местоположение в режиме реального времени с очень высокой точностью (на уровне сантиметров или миллиметров). Этот метод используется в работах, требующих высокой точности в таких областях, как строительство, кадастр, геодезия и сельское хозяйство. Рисунок 1 показана работа системы RTK (Real-Time Kinematic). Там пользователь (с приемником GPS/GNSS в руке) получает данные о позиционировании в реальном времени через сеть референц-станций. Эти станции расположены в местах с определенными географическими координатами и получают сигналы со спутника. Станции обрабатывают сигналы и предоставляют пользователю корректировки для определения позиции. Референц обрабатывает данные со станций и передает их на приемник пользователя.Рис. 1. Принцип работы сетей спутниковых базовых станций.В режиме RTK (real-time Kinematic) приемники GNSS работают с корректирующими данными, передаваемыми в режиме реального времени для достижения сантиметровой точности координат.Максимальное расстояние между базовой станцией и приемником марсохода в режиме RTK напрямую влияет на точность полученных координат. Обычно эффективен до 10-20 км. На практике точность на больших расстояниях может ухудшаться из-за различий в атмосферных условиях, которые начинают влиять на данные коррекции (например, ионосферные и тропосферные задержки).Радиосигналы (UHF, VHF) или сотовая связь (3G, 4G, интернет) обычно используются для отправки исправлений. Радиосигналы имеют ограниченный радиус действия (до 10-15 км в зависимости от состояния местности, рельефа местности и мощности передатчика). При использовании подключения к интернету (протокол NTRIP) могут быть большие расстояния, поскольку исправления могут передаваться на большие расстояния по сети. Если используются региональные или национальные сети RTK (CORS - Continuously Operating Reference Stations), приемник марсохода может находиться в пределах 50-100 км от ближайшей станции, поскольку сеть может объединять данные с нескольких базовых станций и рассчитывать корректировки для большей зоны покрытия.Таким образом, в зависимости от типа связи и качества оборудования расстояние в режиме RTK между базовой станцией и приемником марсохода обычно варьируется от 10 до 50 км для обеспечения точности на уровне сантиметров [2].2. Плотность распространения базовых станций «Trimble» на территории Республики Казахстан.Принцип работы базовых станций ГНСС включает в себя следующие этапы:Базовая станция (Рис. 2.) получает радиосигналы со спутников ГНСС (например, GPS, GLONASS, Galileo) с помощью антенного оборудования. Базовая станция измеряет время прибытия сигнала с каждого спутника и использует эту информацию для определения расстояния от базовой станции до каждого спутника.Основываясь на измеренных точности, базовая станция вычисляет свои координаты в трехмерной пространственной системе координат (широта, долгота, высота). Используя свои координаты и измеренную точность, базовая станция вычисляет ошибки в сигналах GNSS и исправляет эти ошибки. Эти корректировки могут включать временную коррекцию, изменение атмосферного воздействия и другие факторы, влияющие на точность измерения.Базовая станция передает данные о корректировках в реальном времени на подключенную сеть или специальный приемник, используемый вместе с ровером (подвижной станцией). Ровер принимает корректировки с базовой станции и использует их для корректировки размеров GNSS, повышая точность их позиционирования.Этот процесс обеспечивает высокую точность и надежность определения координат в системах GNSS, что важно в различных областях, таких как геодезия, строительство, сельское хозяйство и т. д.Рис. 2. Базовая станция GNSS.В основном на базовых станциях используются антенны компании «Trimble». Как ведущий производитель геодезического оборудования и систем позиционирования, «Trimble» предлагает различные антенны для использования с их приемниками и оборудованием.Антенны компании «Trimble» предназначены для высокоточного использования в воздухе, на суше и в море. Поддержка нескольких группировок позволяет увеличить количество доступных спутников, особенно для размещения в ограниченном пространстве. Антенны «Trimble» - это высокопроизводительные многодиапазонные антенны GNSS, изготовленные из атмосферостойких материалов и позволяющие работать в самых суровых условиях.Все антенны «Trimble» поддерживают существующие и будущие сигналы GNSS, такие как GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou.Радиосигнал, сигнал GSM/GPRS и стационарная базовая станция не требуются для получения высокой точности с помощью антенн компании «Trimble». Поправки поступают непосредственно со спутников. Дифференциальная служба RTК «Trimble» использует данные со станций поддержки, установленных по всему миру, для определения высокоточного положения на основе информации о расположении спутниковых орбит и синхронизации часов, установленных на спутниках. Благодаря использованию сервиса «Trimble RTК» можно добиться плановой точности при измерении менее 4 см. Однако для достижения такой точности необходимо увеличить количество станций и сконцентрироваться на расширении зоны покрытия. Особенно при работе в режиме RTK плотное расположение станций позволяет добиться сантиметровой точности. Плотное расположение станций уменьшает ошибки, возникающие на расстоянии, и снижает искажения сигнала.В настоящее время на территории Казахстана функционируют 46 базовых станций, оснащенных антеннами компании «Trimble» (Рис. 4.) [2].Рис. 4. Схема расположения антенн «Trimble» по территории Казахстана.В зависимости от типа связи и качества оборудования расстояние в режиме RTK между базовой станцией и приемником марсохода обычно варьируется от 10 до 50 км для обеспечения точности на уровне сантиметров. (Рис. 5) [3].Для достижения той же цели над антеннами компании «Trimble» работает приложение «Centerpoint Trimble RTK». «Centerpoint Trimble RTK» идеально подходит для объектов, расположенных в радиусе 10 км от установленных базовых станций RTK или сети базовых станций, таких как участки в горной местности или участки с растительностью. «CenterPoint RTK» хорошо подходит для работ, требующих высокой горизонтальной и вертикальной точности.Рис. 5. Зона покрытия сети базовых станций компании «Trimble».Мы используем тепловую карту, чтобы четко видеть плотность и зону покрытия точек на территории и четко обозначать их на карте. Составляем тепловую карту, цветовая гамма которой меняется в зависимости от расположения каждой точки и уровня охвата территории.Заменяя описание точек командой «тепловые карты», получим тепловую карту точек автоматического типа. Он показывает нам точки, плотно расположенные на карте, ярким цветом.Каждый раз, когда вы меняете масштаб карты или экрана, связанный с функциями программы, цвет карты также адаптируется и меняется в зависимости от него.Рис. 6. Тепловая схема, созданная в программе «QGIS».Схема плотности второго точечного типа варьируется в зависимости от величины, занимаемой каждой станцией. С помощью этой карты мы можем увидеть точную схему плотности.Рис. 7. Точечная схема, показывающая плотность, созданная в программе «QGIS».Как показано на рисунке 7, для полного охвата территории Казахстана в настоящее время недостаточно базовых станций, оснащенных антеннами компании «Trimble». Исходя из этих данных, предположим, что площадь покрытия 1 базовой станции составляет около 100 км2, давайте выясним, сколько базовых станций необходимо для покрытия всей территории страны. Но здесь вам нужно будет изменить уравнение. Следует учитывать, что 100% территории Казахстана не используется, заселяется лишь определенная часть населения. Последние исследования показывают, что плотность населения в Казахстане составляет 7-8 человек на 1 км2. Тогда население Казахстана составляет лишь 44-45% земель страны. Для обеспечения эффективного функционирования станций RTK на территории Казахстана их оптимальная площадь покрытия составляет 20 100 км2. С учетом этой информации, для обеспечения полноценного онлайн-функционирования АЗС на территории Казахстана необходимо установить 130-135 станций [4].3. Постоянно действующие спутниковые базовые станции компании «Leica» на территории Казахстана.Компания «Leica Geosystems» с более чем 200-летней историей является надежным поставщиком датчиков, программного обеспечения и услуг премиум-класса.Филиал компании «Leica Geosystems» в нашей стране ТОО «Leica Geosystems Kazakhstan» направлен на разработку и внедрение следующих технологий:- Геодезические и геопространственные системы,- Географические информационные системы (ГИС),- Технологии трехмерного лазерного сканирования,- Автоматизированные системы контроля,- Сети базовых станций.Компания управляет важными проектами в этих сегментах рынка, а также разрабатывает новые проекты, включая горнодобывающую промышленность, геодезию, строительство и сельское хозяйство. С 1997 года казахстанский коллектив успешно внедряет инновационные технологии в производство и учебный процесс [4].Если базовые станции являются частью национальной геодезической сети, то дроссельные антенны типа IGS, оснащенные элементами Дорна и Марголина, часто являются обязательными. Любая базовая станция, входящая в глобальную сеть международной службы GPS (AGPS), обычно требует антенны с кольцом дроссельной заслонки. Этот тип антенны имеет очень высокую стабильность фазового центра, подавляет большое количество излучения до незначительных уровней и помогает обеспечить высочайшее качество данных измерений.Стандартные геодезические антенны подходят для одиночных автономных базовых станций и базовых станций в сетях, которые в основном используются для поддержки геодезических и инженерных работ, а также для предоставления данных RTK и роверов ГИС. Стандартные геодезические антенны обеспечивают достаточно хорошее качество данных для большинства пользователей и приложений, и они значительно дешевле, чем антенны с дроссельным кольцом.Для относительно небольших, высокоразвитых районов, таких как крупные агломерационные районы, где работают многие марсоходы RTK, станции поддержки GPS обычно должны передавать данные RTK. RTK - это предел дальности, на котором марсоход может успешно работать, который необходимо учитывать при определении расстояния между станциями. В зависимости от требований диапазон RTK, обычно достигаемый в этой области, предоставляются стандартные данные RTK, а программное обеспечение станции поддержки обеспечивает параметры настройки сети для улучшенного RTK, расстояние между станциями поддержки должно составлять от 30 до 70 км.Одна базовая станция обеспечивает определение пространственных координат в сантиметрах в реальном времени. Радиус, обеспечивающий высокое качество точности, не превышает 25-30 км. Однако при удалении от станции точность позиционирования ухудшается пропорционально расстоянию. Сеть справочных станций может охватывать большую площадь, чем больше станций, тем больше площадь покрытия. Для устранения проблемы получения точных и достоверных результатов станция должна быть плотно установлена с перекрытием рабочих зон.В целях исключения ошибок, внесенных искажениями в атмосфере, а также ошибок, возникающих при удалении от близлежащих референтных станций, на основе данных нескольких референтных станций и информации об их реальном положении создается четко-временная модель ошибок и исправлений. Такая модель подразумевает совместное выравнивание данных со всех опорных станций и расчет поля дифференциальных поправок по всей площади сети.Благодаря сетевому способу формирования дифференциальных поправок пользователь может уверенно получать координаты на расстоянии до 50 км от опорных станций, а расстояние между станциями может составлять до 80 км.Инструмент точечной плотности (тепловая карта) вычисляет плотность точечных объектов вокруг каждой ячейки выходного растра. Концептуально район определяется вокруг центра каждой растровой ячейки, а затем вычисляется количество точек, попадающих в соседний район, и делится на площадь [5].Плотность точек существующих базовых станций в «Leica» составляет 41 станцию.Рис. 9. Станции RTK Leica.4. Результаты и обсуждения.Государственная геодезическая сеть (ГГС) состоит из взаимосвязанных геодезических сетей различных классов точности, построенных по принципу от общего до частного. ГГС включает в себя:- пункт фундаментальной астрономо-геодезической сети (пункт ФАГС),- высокоточная геодезическая сеть (ВГС),- спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1),- геодезическая сеть сгущения (ГСС).Таблица 1. Значения плотности расположения и типа пункта ГГС.Мы придем к такому решению, проведя эти мониторинговые работы. При переходе из одного класса триангуляции в другой необходимо поддерживать определенные отношения между средними значениями длин сторон треугольников, устанавливая государственную геодезическую сеть по принципу перехода от общего к частному [6].Территория Казахстана - 2 725 000 км2 (9 место в мире).3 000 км с запада на Восток, 1 600 км с севера на юг.Плотность по пунктам:1. ФАГС– 2 725 000 ÷ 330 000 = 8,2575 ≈ 8 пункт.2. ВГС – 2 725 000 ÷ 36 000 = 75,694 ≈ 76 пункт.3. СГС-1 – 3 000 + 1 600 = 4 600,4 600 × 2 = 9 200,9 200 ÷ 25 = 368 пунктов.4. ГСС – 2 725 000 ÷ 50 = 54 500 пунктов.Требуемая плотность геодезических пунктов в общегосударственных условиях картографирование территории страны зависит от масштаба топографической съемки, методов ее выполнения, а также методов составления геодезического обоснования съемки.В отдаленных районах норма плотности пунктов может снизиться, но не более чем в 1,5 раза. На территории городов с населением не менее 100 000 человек и площадью не менее 50 км2 норма плотности 5-15 км2 в среднем составляет 1 пункт. По мере укрупнения масштаба плотность расположения пунктов уменьшается и концентрируется (табл. 2).Проекты рядов и линий классов 1 и 2 разрабатываются на картах масштаба 1:100 000, а сети классов 3 и 4 обычно разрабатываются на картах масштаба 1:25 000. Для детального изучения отдельных участков проекта используются крупномасштабные карты, а также аэрофотоснимки [7].Таблица 2. Значения территориальности и расстояния расположения пунктов по шкале.При переходе от одного класса триангуляции к другому, создавая государственную геодезическую сеть по принципу перехода от общего к частному, необходимо поддерживать определенные отношения между средними значениями длин сторон треугольников. Плотность по базовым референсным станциям примерно равна плотности пунктов ГГС [8].Заключение.Нормы плотности геодезических пунктов описаны нормы плотности геодезических пунктов для различных территорий и условий, что помогает определить количество пунктов, необходимых для оптимального функционирования геодезических служб.Использование базовых станций компаний «Trimble» и «Leica Geosystems» в области геодезии Казахстана обеспечивает эффективное и точное определение координат в различных приложениях. Анализ плотности точек с помощью программы QGIS и тепловых карт позволяет оптимизировать расположение станций для обеспечения оптимального покрытия территории. Учитывая характеристики антенн «Trimble», такой подход способствует эффективному функционированию геодезических служб при сохранении необходимых соотношений между средними значениями боковых длин треугольников при переключении между классами триангуляции.Использование программного обеспечения «QGIS» и настроек RTK от «Leica Geosystems» перечисленные инструменты и услуги позволяют обрабатывать геодезические данные с высокой точностью и эффективностью, что является важным аспектом при геодезических измерениях и картографировании.Выводы о необходимом количестве пунктов МГС: исходя из нормы площади и плотности пунктов МГС для определенного диапазона топографической съемки, можно сделать вывод о количестве пунктов, необходимых для обеспечения оптимальной работоспособности геодезических служб.Таким образом, предлагаемый анализ позволяет сделать вывод о важности выбора соответствующих методов определения плотности точек, необходимости применения современных программных и технических средств, а также учета норм плотности геодезических пунктов для обеспечения качественного геодезического обоснования и картографирования территории.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Балтышев А.С., Сейтмуханов Б.Б. ГЕОПРОСТРАНСТВЕННАЯ ПЛОТНОСТЬ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ «LEICA» И «TRIMBLE» В ПРЕДЕЛАХ КАЗАХСТАНА // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 1630 - 1648. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23194 (дата обращения: 17.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+