ПАЗАРНА ИНФОРМАЦИЯ ЗА ПРОФЕСИОНАЛНИ GNSS ПРИЕМНИЦИ

д-р инж. Иван Калчев

ГЕО ПЛЮС ЕООД

Професионалните геодезически приемници на сигнали от глобални навигационни спътникови системи (GNSS) са на българския пазар вече от три десетилетия. Следвайки световното историческо развитие и приложение на тези технологии и у нас първоначално те бяха достъпни само за нуждите на армията. В периода на провеждане на поземлената реформа пред 90-те години на XX век GPS приемниците започнаха да се прилагат все по-масово както от контролиращите държавни органи, така и в практиката на все повече геодезически фирми. В днешно време прилагането на GNSS технологиите вече е конвенционална технология в геодезическото производство. Технологичното развитие, ентусиазма и далновидността на наши колеги позволиха и на територията на България да се използват последните постижения в тази област – от настоящата година действат вече три мрежи от перманентни станции. С тази много сериозна стъпка на развитие GNSS технологиите добиха небивала достъпност за всеки професионален геодезист в нашата страна.

          Настоящата статия има за цел да представи характеристиките и особеностите на някои съвременни модели GNSS приемници, произвеждани от две компании – GEOMAX AG (Швейцария) част от HEXAGON GROUPHUACE NAVIGATION Ltd (CHC)  (Китай). ГЕО ПЛЮС ЕООД е партньор на тези производители на геодезически технологии за територията на България и това е основанието ни да се ограничим в предложената информация с инструментите предлагани от тях. (Швеция) и

            ОБЩИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА СЪВРЕМЕННИ GNSS ПРИЕМНИЦИ

Производителите на геодезически технологии са достигнали до някои основни технически характеристики, които могат да се приемат за стандарт в определен клас инструменти. За съвременните професионални GNSS приемници като стандартни качества се приемат следните:

• точност на статични измервания (средна квадратна грешка):
  • за хоризонтално определяне ±5mm+1ppm;
  • за вертикално определяне ±10mm+1ppm;
• точност на кинематични (RTK) измервания (средна квадратна грешка):
  • за хоризонтално определяне ±10mm+1ppm;
  • за вертикално определяне ±20mm+1ppm;
• точност на диференциални кодови измервания (средна квадратна грешка) ±0.25m
• над 50 канала за паралелно приемане на сигнали от спътници;
• време за първоначална инициализация (cold start) под 20 сек.;
• надеждност на инициализацията типично >99.9%;
• захранване на базата на вградени Li-ION акумулаторни батерии, осигуряващи непрекъсната работа поне до 5 часа в RTK режим;
• вградена или сменяема памет с голям обем – за над 7’000 часа статични измервания при запис през 15сек.;
• радиомодеми за предаване на диференциални поправки от базов приемник към подвижен приемник с мощност над 0.5W, гарантиращ обхват на действие поне 3км;
• контролер под управление на WindowsCE/Mobile с Bluetooth връзки;
• комуникационни портове за връзка с компютър чрез RS-232 и/или USB кабел;
• голям диапазон на работна температура (от -30ºС до +65 ºС) и висока степен на водо- и прахо-устойчивост;
• тегло на цялото оборудване на подвижен приемник под 3.5kg;
• приложен софтуер в контролера за всички основни геодезически задачи;
• специализиран софтуер за последваща обработка на измервания (post-processing).

            ХАРАКТЕРНИ ОСОБЕНОСТИ НА ПРЕДСТАВЕНИТЕ GNSS ПРИЕМНИЦИ

В допълнение на тези стандартни характеристики разгледаните модели GNSS приемници от съответните производители имат следните отличителни особености:

Професионалните GNSS приемници на GEOMAX от серията ZGP-800 притежават всички белези, функции и качества на най-съвременните представители в този клас геодезически инструменти. Независимо, че GEOMAX е сравнително нова марка на международния пазар, като част от групата HEXAGON (Швеция) този производител разполага с технологии за производство на геодезически инструменти, разработвани през последните 150 години. Доказателство за това е и факта, че в приемниците от серията ZGP-800 са използвани последните GNSS антени на NovAtel (също част от групата HEXAGON) с 72 канала и честота на обновяване 5Hz. ZGP-800А представляват интегриран апарат, в който са съвместени GNSS антена и приемник в общ корпус с общо захранване. Отличителен белег на приемниците ZGP-800 е вградената уникална Q-Lock технология за непрекъснат контрол върху силата и качеството на приеманите сигнали от сателити. Благодарение на тази технология системния софтуер извършва регулярна независима проверка на всеки 10 секунди, за да се гарантира приемането на сигнали с най-добрата възможна сила и качество от всеки проследяван спътник. Това води до значително повишава надеждността на фиксираните решения при измерванията в реално време. Приемниците приемат и обработват сигнали както от NAVSTAR (GPS), така и от GLONASS навигационни спътници, което осигурява значително предимство в работа в реално време поради по високата степен на гарантиране на голям брой спътници на небосклона и тяхното добро геометрично разположение.

Контролера ZGP-800C е модерно устройство, работещо под управление на операционна система WindowsCE. Разполага с пълна буквено-цифрова клавитура с QWERTY подредба. Цветния дисплей е с вградена touch screen технология и резолюция ¼ VGA. Осигурените Bluetooth възможности са основа за реализиране на напълно безжична комуникация между контролера, приемника, радиомодеми или GSM апарати. При необходимост могат да се ползват и дублиращи кабелни връзки през двата порта за външни устройства на контролера.

Конструктивното решение, приложено в приемниците ZGP-800 на GEOMAX, е доста гъвкаво благодарение на модулния принцип при избора на конфигурациите и режимите на работа. В същото време приемниците и основните принадлежности са универсални и е въпрос само на настройка и допълнителни опции, за да се смени режима на работа между базов и подвижен приемник.

В случай, че е необходимо да се измерват бази в статичен режим може да се използват два приемника ZGP-800A в комбинация с два контролера ZGP-800C за регистрация на статичните измервания в CF картите, поставени в контролерите. Чрез специализирания софтуер за последваща обработка GeoMax Geo Office може да се извърши цялостна обработка на измерванията в офиса.

За работа с двойка приемници ZGP-800 в реално време (RTK режим) се предлагат две решения за предаване на диференциални поправки от базовата станция към подвижния приемник:

• При първото решение може да се използва базово радио SATELLINE 3AS с външно захранване и съответно радио модем за подвижната станция със собствено захранване, който се монтира допълнително на носача (щока) на антената и има Bluetooth връзка с контролера. В тази конфигурация е нужен само един контролер, който чрез други Bluetooth връзки може да се свързва последователно с базовия приемник за да се стартира и после с подвижния приемник за да се извършват RTK измерванията;
• Второто решение позволява да се конфигурира базовия приемник така, че да излъчва диференциални поправки чрез мобилен интернет. За целта може да се използват обикновени GSM апарат с поддръжка на Bluetooth и GPRS функции. Това решение значително подобрява обхвата на работа с двойката базов-подвижен приемник поради елиминиране на ограниченията заради мощността на радио-модемите.

Разбира се приемниците ZGP-800 могат да се използват и в RTK мрежи от перманентни станции. Трябва да се подчертае, че отчитайки последните тенденции в GNSS технологиите основния замисъл при конструирането на тези приемници е бил насочен именно към този режим на работа. За работа в RTK мрежа е необходима най-опростената конфигурация от интегриран приемник ZGP-800A, контролер ZGP-800C и обикновен GSM апарат с поддръжка на Bluetooth и GPRS функции. След свързване през мобилен интернет със сървъра на доставчика на диференциални GNSS поправки, което в общия случай отнема от 10 до 30 сек., тази конфигурация е готова за работа с точност в порядъка на 0.01-0.05м.

Изброените комбинации на апаратура осигуряват възможност за работа с ZGP-800 при всякакви условия: в случай, че е възможно приемането на поправки от RTK перманентна мрежа и двата приемника в комплекта могат да се използват като подвижни; при достигане на район с ограничения за получаване на диференциални поправки от RTK мрежа може да се продължи работата като единия приемник се използва за базов, а другия приемник е подвижен с предаване на поправки през радио-модеми. Получените координати на точки в реално време могат да се използват веднага за станциониране и ориентиране на тотална станция, за да се комбинират двете технологии за едновременна работа.

Системният и приложен софтуер, вграден в контролера на ZGP-800C е лесен за научаване и интуитивен за използване, като може да се предложи на различни езици, включително на български. Включени са стандартно всички основни програми: за измервания (с регистрация на отделни точки, линии и площни фигури), за трасиране, COGO задачи, референтна линия/дъга, определяне на координатна система (координатна трансформация в локална координатна система), вход/изход на данни в ASCII и DXF формати. Освен в цифров вид резултатите от измерванията могат да се визуализират графично в отделен прозорец за карта на координираните точки, линии и полигони.

В комплекта на ZGP-800 приемниците е включен и специализирания софтуер за последваща обработка на статични GNSS измервания GEOMAX GEO OFFICE. Този софтуер е съвременно решение и осигурява всички основни функции:

• въвеждане на данни от GNSS измервания както от приемниците на GEOMAX, така и съвместно използване на данни от всички други производители чрез поддържания вход/изход на файлове в RINEX формат, вход/изход към текстови ASCII и DXF файлове;
• обработка на GPS (L1+L2) и GLONASS сигнали;
• изчисляване на бази между измерени точки в статичен режим;
• изчисляване на бази между базова станция и подвижен приемник в кинематичен режим с пост-процесинг;
• изравнение на геодезически мрежи по МНМК;
• изчисляване на координатни трансформации по идентични точки;
• дефиниране на нови координатни системи по известни параметри;
• дефиниране на модел на геоида;
• дефиниране на потребителски настройки за използвани GNSS антени от други производители;
• дефиниране и използване на кодове към GNSS измерванията;
• планиране на сесии измервания чрез информация за наличността на спътници в района на бъдещата работа;
• проектиране на GNSS мрежи чрез симулиране на измервания и изравнения за предварителна оценка на точността.

Не е за подценяване факта, че GEOMAX осигуряват 2 години гаранция на всичките си геодезически инструменти, предлагани в България. Не е случайно избрано и логото на фирмата – „Работят заедно с Вас!“, подчертаващо надеждността и здравината на инструментите от GEOMAX.

Професионалните GNSS приемници на HUACE NAVIGATION от серията X91G са трето поколение геодезически приемници от този производител от Китай. Този факт определено е показателен за технологичното израстване на продуктите, идващи от източния икономически дракон. Разглеждайки обективно функционалността и качествата на GNSS приемниците X91G не е трудно да се стигне до извода, че това са инструменти, отговарящи на най-съвремен­ните изисквания. Ето и нашите аргументи в полза на това твърдение:

В сравнение с разгледания вече приемник ZGP-800 от GEOMAX, X91G от HUACE е решен по доста различен конструктивен подход. В един общ здрав корпус на подвижния приемник X91G са събрани:

• GNSS антена;
• професионален 54 канален приемник за сигнали от NAVSTAR (GPS) и от GLONASS навигационни спътници;
• UHF радио-модем;
• GPRS (GSM) слот;
• вградена вътрешна памет (16Mb);
• вграден Bluetooth комуникационен модул;
• акумулаторна батерия.

Това прави подвижния приемник X91G в пълния смисъл на думата „интегриран“ GNSS приемник, напълно готов за използване във всички възможни режими на работа без никакви допълнителни опции и принадлежности. Нещо повече, освен стандартния радио-модем подвижния приемник може да се използва и с PDL радио-модем, което заедно с поддържаните всички стандартни формати за предаване на диференциални поправки правят X91G съвместим с базови приемници от всички известни производители.

Базовият приемник е почти аналогичен на подвижния, но работи с външен радио-модем и не е възможно да се ползва като подвижен в RTK режим. За сметка на това външния радио-модем DL-3 е със забележителни възможности – всеки оператор може да го настройва на полето, като избира честотата и мощността на излъчване и то в много сериозни диапазони – честота от 450 до 470MHz и мощност от 1 до 20W. Такава мощност може да разшири значително обхвата около базовата станция за работа в реално време с използване на радио-модеми.

Вградената вътрешна памет позволява използването на X91G приемниците за статични измервания без необходимост от контролери. Превключването от RTK режим към режим на статични измервания се реализира с натискането на един бутон на корпуса на приемника. Чрез последваща обработка на статичните измервания се постига отличителната точност за хоризонтално определяне ±3mm+1ppm и за вертикално определяне ±5mm+1ppm.

Чрез вграждането на слота за SIM карта в корпуса на GNSS приемника се постига вътрешна заводска съвместимост на приемника с RTK перманентните мрежи от най-ново поколение. Не е нужно да се ползва външен GSM апарат, който ще бъде зает за приемане на поправките от RTK мрежата. Предаването на данните, получени чрез мобилен интернет от вградения GSM приемник винаги е надеждно, защото няма комуникационен процес на пренос.

За контролер се предлагат две устройства – добре познатият модел RECON или собствената разработка на HUACE HCE100. И двата контролера работят под управление на операционна система WindowsCE.NET или Windows Mobile. Моделът RECON е олекотен вариант с шест основни и един навигационен бутон. HCE100 е по-обемно и тежко устройство за събиране на данни, но е с пълна буквено-цифрова клавитура, което го прави по-професионален и лесен за използване. И двата контролера са с цветен TFT дисплей, с вградена touch screen технология и резолюция ¼ VGA. Осигурените Bluetooth възможности са основа за реализиране на напълно безжична комуникация между контролера и приемника.

Специализирания софтуер LANDSTAR, вграден в контролерите на HUACE осигурява опростено конфигуриране на приемниците, интуитивно графично меню за основните функции и бърза работа с предложените приложни програми за  измервания (с регистрация на отделни точки, линии и площни фигури), за трасиране, COGO задачи, определяне на координатна система (координатна трансформация в локална координатна система), вход/изход на данни в ASCII и DXF формати. LANDSTAR предлага графично представяне на резултатите от провежданите измервания за по-интуитивна работа със събраните данни.

Предложението на HUACE за специализиран софтуер за последваща обработка на статични GNSS измервания се нарича COMPASS. Основните функции на този софтуер са:

• въвеждане на данни от GNSS измервания както от приемниците на HUACE, така и съвместно използване на данни от основните други производители директно в техния формат или чрез поддържания вход/изход на файлове в RINEX формат, вход/изход към текстови ASCII и DXF файлове;
• обработка на GPS (L1+L2) сигнали;
• изчисляване на бази между измерени точки в статичен режим с дължина до 300км с автоматично разпознаване на базите чрез синхронизиране на измерванията по време;
• изчисляване на бази между базова станция и подвижен приемник в кинематичен режим с пост-процесинг;
• изравнение на геодезически мрежи по МНМК едновременно като свободна и фиксирана мрежа по данни от GNSS измерванията директно в локална координатна система;
• изчисляване на координатни трансформации по идентични точки;
• дефиниране на нови координатни системи по известни параметри;
• дефиниране на модел на геоида;
• дефиниране на потребителски настройки за използвани GNSS антени от други производители.

СРАВНИТЕЛЕН АНАЛИЗ

С цел да се улесни сравнението на представените професионални геодезически GNSS приемници в следващите таблици са показани обобщени данни за техническите им характеристики. Освен това са публикувани и актуалните цени на приемниците за конкретни конфигурации от модули и опции:

Приемниците GeoMAX ZGP-800 имат предимството да се надграждат гъвкаво и допълват с опции, което позволява намаляване на първоначалната инвестиция. От друга страна HuaCE X91G пристигат заводски оборудвани и настроени за работа във всички режими.

ПРОБЛЕМИ ПРИ ИЗПОЛЗВАНЕ НА GNSS ПРИЕМНИЦИ

Въпреки напредъка в приборостроенето на геодезически инструменти и технологичното развитие на основната инфраструктура за приложение на GNSS измервания в България съществуват някои проблеми, които все още ограничават използването на предлаганата техника. Тук само ще маркираме по-важните от тях да бъдем честни към колегията.

Липса на нормативна база за RTK измервания:

Действащата „Инструкция за определяне на координатите на геодезически точки чрез глобална позиционираща система (GPS)“ e издадена от Министерството на Териториалното Развитие и Строителството – ГУКГ през далечната 1995 г. Освен, че изминалите години от създаването й вписаните норми вече са морално и технологично остарели, в нея метода за работа с GNSS приемници в RTK режим не е засегнат въобще. Това създава институционални пречки за предаване към официални държавни институции на резултати от геодезически дейности, за реализирането на които са използвани преки измервания в RTK режим с базова станция или RTK мрежа.

Липса на явни параметри за трансформация между WGS84 и локалната държавна координатна система:

Българската Геодезическа Система до този момент е абстракция, представена в няколко официално приети нормативни актове (Постановление на Министерски Съвет за БГС2000, Закон за Геодезията) и предложения за нови параметри. На практика в страната ни липсва конкретно решение на основополагащ въпрос за всяко геодезическо производство. Този факт се отразява особено неползотворно за прилагането на GNSS технологиите на нашата територия.

Ограничения за мощност на радио-модемите

Съгласно действащи нормативни актове съществуват ограничения за мощността на използваните радио-модеми за граждански цели (до 5W), което води до ограничен обхват на използване на GNSS техника по този начин.

Непълно покритие на мобилните оператори

Покритието на мобилните оператори все още не гарантира безпроблемно използване на GPRS за пренос на данни във всяка точка на територията на страната.

Непълно покритие на GNSS RTK мрежите

Степента на изграденост на RTK перманентните мрежи все още не може да покрие изцяло територията на страната. Колегите, заети с развитието на наличните 3 мрежи, полагат усилия за постепенното отстраняване на този проблем. Трябва да се отбележи, че за последната пусната в действие RTK мрежа проблема е практически отстранен.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Можем да твърдим, че Българската геодезическа общност върви определено в крак със съвременните световни тенденции на развитие на нашия бизнес. Достиженията на приборостроенето и технологиите за геодезически измервания вече много бързо стигат до нашата практика. Въпреки споменатите проблеми GNSS технологиите отдавна са част от масовото геодезическо производство. Това ни дава основание и увереност да продължим нашата мисия да предложим на колегията достъпни геодезически технологии без компромис с качеството и надеждността на много атрактивни ценови решения.