Професионалните ГНСС системи в геодезията

Момчил Минчев, “Българска геоинформационна компания” ООД

Един от първите производители на потребителско GPS оборудване е основаната през 1978 г. американска компания Trimble Navigation, Ltd. Днес, след повече от 30 години, GPS вече не е единствената спътниковата навигационна система, а Trimble е сред световните лидери в съвременните геодезически технологии, управлението на подвижни средства и съоръжения, и в други области, където определянето на пространственото положеие на обектите е от първостепенно значение. Тук ще се спрем на професионалните ГНСС системи, намиращи приложение в геодезията и ще разгледаме съответните продукти и решения, предлагани от Trimble.

Професионални ГНСС системи

С риск от допускане на схематизъм, професионалните ГНСС системи се класифицират според предназначението им в различни сегменти както следва:

• геодезия;
• геодезическа инфраструктура;
• строителство;
• картиране, утилити, ГИС;
• управление на подвижни средства;
• управление на машини и съоръжения.

Важни приложни области като морската и въздушната навигация, спасително издирвателните работи и други обществено значими дейности, където ГНСС намират добър прием, тук няма да бъдат разглеждани.
Най-характерното за шестте сегмента избрани по-горе е обобщено в табл. 1. Неминуемо е изискванията в изброените категории да се припокриват в известна степен, което на практика означава, че система от даден тип може да намери приложение не само по непосредственото си предназначение, но и извън него, например:

• геодезически системи – в сегментите “Геодезическа инфраструктура”, “Строителство” или “Картиране, утилити, ГИС”;
• инфраструктурни системи – за базови станции в сегментите “Геодезия”, “Строителство”, “Картиране, утилити, ГИС”, “Управление на машини и съоръжения”;
• строителни системи – за изпълнение на геодезически задачи и пр.

Макар че по принцип са осъществими, подобни прехвърляния водят до непълна реализация на възможностите на системите, а от друга страна – до известно несъответствие с изискванията на съответния тип приложение.
Изхождайки от профила на сп. “Геомедия”, тук ще фокусираме вниманието си на сегментите “Геодезия”, “Строителство” и “Картиране, утилити, ГИС”.
Таблица 1

Геодезия и строителство

Най-актуалните геодезически ГНСС ситеми на Trimble са тези от сериите R6, R7 и R8.
Trimble R8 (фиг. 1) е интегрирана мултичестотна ГНСС система, предназначена за следене на всички настоящи навигационн сигнали и заплануваните им модификации – L2C, L5 и пр. Конструктивно обединените приемник и антена може да се конфигурират с радиомодеми – за работа в базов или подвижен режим, или с GSM/GPRS модем – за работа с инфраструктурни базови мрежи.

Trimble R7 (фиг. 2) е модулна мултичестотна ГНСС система, която – подобно на R8 – позволява следенето на всички навигационн сигнали. Може да се използва с различни видове антени – Zephyr-2 – оптимизирана за работа в бръз статичен и кинематичен режим, Zephyr Geodetic-2 – за високоточни статични измервания. За работа в реално време, базовите конфигурации се допълват с външен многофункционален радиомодем, а подвижните конфигурации – с вграден приемателен радиомодем. По този начин се намира оптималното съчетание между възможностите за гъвкаво разпределение на елементите от системата – при разполагане на базова станция, и събирането им на щока за максимално удобство при придвижване между определяемите точки.

Фигура 2. Система Trimble R7 GNSS

Trimble R6 е интегрирана двучестотна GPS система с опция за следене на сигналите от спътниците “Глонасс”.

Системите от серията Trimble SPS са предназначени за работа на строителната площадка.
Модулна DGPS система SPS351 (фиг. 3) е подходяща за приложения, свързани с водното строителство – драгиране, позициониране на хидротехнически и навигационни съоръжения, батиметрия и др., където е достатъчна субметрова точност. С подобно предназначение е и системата SPS551, която позволява допълнително извършването на кинематични определения в реално време с точност под 10 cm по положение и височина. Още по-висока точност по височина – до 2 cm – може да се постигне с помощта на системата SPS651.

Фигура 3. Общ вид на GPS приемник от серията SPSx51

Системите SPS751 и SPS851 са с модулна архитектура, предназначени са предимно за оборудване на базови станции, обслужващи строителните площадки и осигуряват постигането на точност по положение и височина съответно 1 и 2 cm + 1 ppm от дължината на базовия вектор. Съответстващи по възможностите им са интегрираните системи SPS781 и SPS881 (фиг. 4), в които конструктивно са обединени GPS/ГНСС приемник и антена с 450 MHz радиомодем. GPS системите SPS751/781 се предлагат в два варианта – Basic и Max, които се различават по възможностите за взаимна заменяемост на базовата и подвижната конфигурация, за ползване на инфраструктурни базови мрежи, както и ограничението от 2.4 km за максималното отдалечение на подвижния приемник от базовата станция. Освен пълна функционалност и взаимна заменяемост, системите SPS851/881 позволяват наред с настоящите GPS сигнали след ъпгрейд да се приемат новата честота L5, както и сигналите от спътниците “Глонасс”.

Фигура 4. Интегрирани системи SPS781 и SPS881

Управлението на ГНСС приемниците се осъществява с помощта на PDA контролерите TCU2 (фиг. 5). Те са високопроизводителни ръчни компютри, предназначени за работа на полето и се оличават със следните възможности:
– операционна система MS Windows Mobile със стандартен софтуерен пакет, включващ Internet Explorer, File Explorer, Mobile версии на Word, Excel, Power Point, Outlook и Media Player, ActiveSync – за свързване с настолни и портативни компютри, както и други продукти;
– мощен 520 MHz Intel PXA XScale 270 процесор, 128 MB SDRAM и 512 MB енергонезависима памет с възможности за разширяване с CF и SD запаметяващи карти;
– ярък чувствителен TFT дисплей с висока разделителна способност, позволяващ работа на дневна светлина;
– комуникация с оператора чрез пълна буквено-цифрена или виртуална клавиатура, система за разпознаване на ръкопис, микрофон и високоговорител;
– развити възможности за жична и безжична комуникация с различни външни устройства и пряка връзка с Интернет – RS232, USB Host/Client, Bluetooth, WLAN, както и вградено 2.4 GHz радио за сврзване с роботизирани тотални станции;
– устойчивост към проникване на влага и твърди частици съгласно стандарт IP67;
– вътрешно захранване за целодневна работа.

Фигура 5. Блок за управление TSC2

Необходимата функционалност се осигурява с помощта на специализирани софтуерни продукти като Trimble Access, Trimble Survey Controller, SCS900 Site Controller. Освен на TSC2, те могат да се инсталират и на блокове за управление TCU, които се прикачат към тоталните станции от сериите Trimble S6, S8 и VX, или към роботизирани щокове за дистанционното им управление – самостоятелно или интегрирано с ГНСС системи Trimble R6, R8 и пр.
Софтуерът Trimble Survey Controller предоставя на оператора необходимите инструменти за управление на всички видове полски работи:

• приложение на ГНСС системи във всички режими на измерване, в реално време и с последваща обработка, с гъвкави възможности за свързване с инфраструктурни базови мрежи;
• традиционни геодезически измервания, в т.ч. с инструменти доставени от други производители;
• измервания с роботизирани и интегрирани геодезически системи, както и с тоталните стации за пространствени изображения Trimble VX.

Trimble Access е софтуер създаден с идеята, че не хората трябва да отиват при данните, а данните при хората. Наред с възможностите изредени по-горе, този продукт поддържа специализирана функционалност за геодезически работи в пътното и тунелното строителство и позволява гъвкавия информационен обмен между полските екипи и офиса с помощта на мобилни комуникации.
Софтуерът SCS900 е профилиран в съответствие с особеностите за работа на строителната площадка – определяне в реално време и трасиране на точки, линии и повърхнини. Поддържа функционалност за управление както на ГНСС, така и на конвенционални и роботизирани геодезически системи. За улесняване на работа на място със цифрови модели, планове и други графични документи е предвидена възможност за инсталиране на SCS900 също и на други блокове за управление, базирани на полски PDA устройства с голям диспей, каквито са Trimble Tablet.

В сегмента “Геодезия” се предлага също модулната едночестотна GPS система Trimble R3 (фиг. 6). Компактна и икономична, в нея GPS приемникът е приставка към блока за управление Recon и се свързва с него чрез CF слот, разположен в горната му част. Спътниковите сигнали се приемат с антена А1, а управлението на измерванията – статични и кинематични с последваща обработка – се извършва с помощта на софтуера Trimble Digital Fieldbook.

Фигура 6. Едночестотна геодезическа система Trimble R3

Продуктите и решенията на Trimble сегментите “Геодезия” и “Строителство” са изключително разнообразни по тяхното устройство – модулни или интегрирани, режим на работа – в реално време или с последваща обработка, точност – от сантиметровия до субметровия диапазон, както и по управление, комуникационни възможности и потребителски интерфейс. Така се осигурява максимално съответствие с изискванията на потребителя, което е предпоставка за постигане на висока продуктивност.

“Картиране, утилити и ГИС”

Към категорията “Картиране, утилити и ГИС” се отнасят продуктите на Trimble от следните серии:

• интегрирани GPS системи GeoExplorer;
• модулни GPS системи Pathfinder Pro;
• интегрирани GPS терминални устройства Nomad, Recon, Yuma и Juno.

Това са системи, които са специфични по своята архитектура, точност и допълнителни принадлежности, но са с изцяло съвместима функционалност, ориентирана към събирането и актуализацията на данни за ГИС с различно предназначение, едромащабното, специализираното и кадастралното картиране, поддържането на продуктопроводи, комунални и транспортни съоръжения.

В серията GeoExplorer (фиг. 7) са представени PDA устройства, предназначени за полска работа, които конструктивно и функционално са обединени с GPS приемник и качествена едночестотна антена. Разпространени са в три разновидности:

• XH – с двучестотен L1/L2 приемник. С помощта на външна двучестотна антена (напр. Zephyr) и базови данни от VRS мрежи или други станции, отдалечени до 30 km и достъпни по Интернет, GeoExplorer XH осигурява точност 10 cm в реално време и с последваща обработка. Благодарение на същата технология, известна като Trimble H-Star, при същите условия, но с вътрешната антена, може да се постигне точност до 30 cm. С външна двучестотна антена, но при разстояние до базовите станции до 200 km, точността с последваща обработка е 20 cm;
• XT – с едночестотен L1 приемник. С диференциални корекции позволява постигането на субметрова точност в реално време или с последваща обработка;
• XM – с едночестотен кодов GPS приемник. С диференциални корекции позволява постигането на точност 1-3 m в реално време или с последваща обработка.

Фигура 7. Система GeoExplorer XH

Вариантите XH и XT са налице и в модулните GPS системи Trimble Pathfinder Pro (фиг. 8), където антената и приемникът са конструктивно обединени с акумулаторна батерия и комуникационен блок, а управлението се осъществява с помощта на външно PDA устройство. Особеното тук е, че модификацията XH позволява приложението на H-Star технология единствено с последваща обработка, с точност съответно 20 cm – с външна двучестотна антена и 30 cm – със собствената антена. За сметка на това, както XH, така и XT могат да се използват като едночестотни геодезически приемници за статични определения с точност до 1 cm.

Фигура 8. Система Pathfinder Pro XH

Най-високият клас в серията Pathfinder Pro е XRT (фиг. 9), който представлява модулна двучестотна GPS система с антена Zephyr-2 и опция за приемане на сигнали от спътниците “Глонасс”. Постиганата точност е идентична с тази на GeoExplorer XH с външна двучестотна антена (виж по-горе). За разлика от всички останали продукти в сегмента, ProXRT осигурява дециметрова точност в реално време с помощта на корекции от системата OmniSTAR (HP, XP и VBS). С диференциални корекции от други източници се постига субметрова точност.

Фигура 9. Система Pathfinder Pro XRT

Управлението на приемниците Pathfinder Pro се осъществява с няколко типа полски PDA устройства: Ranger (аналог на TSC2 от сегментите “Геодезия” и “Строителство”), Nomad или Recon.
Nomad (фиг. 10) е по същество здраво (IP67) и мощно терминално устройство с честота на процесора над 800 MHz, вътрешна памет 6 GB, VGA дисплей (480 х 640 пиксела) и операционна система Windows Mobile 6. Освен многообразните възможности за жична и безжична комуникация с които е оборудвано, устройството се предлага с интегриран GPS приемник с точност 2-5 m, цифрова камера, баркод скенер и GPS/GPRS модем.

Фигура 10. GPS терминал Nomad

Recon също е устройство с изключителна издържливост по отношение на външните условия. С честота на процесора 400 MHz, 256 MB вътрешна памет и QVGA дисплей, то е подходящо за безжично (Bluetooth) управление на GPS приемници от серията Pathfinder Pro, а така също и за разширение с различни GPS модули чрез CF слота, разположен в горната му част:

• едночестотен геодезически приемник R3 (виж по-горе);
• приемник Pathfinder XC с интегрирана антена и точност 2-5 m (фиг. 11).

Фигура 11. GPS приемник Recon GPS XC

Функционалността, необходима на устройствата в този сегмент, се осигурява с помощта на софтуера Trimble TerraSync, или чрез надстройката Trimble GPSCorrect към софтуера на ESRI ArcPad.
TerraSync e програмен продукт за GPS терминални устройства, предназначен за събиране и актуализация на ГИС данни. Поддържа следните функционалности:

• определяне на координати чрез единични, диференциални и H-Star методи в реално време;
• импорт, експорт и визуализация на цифрови данни в различни растерни и векторни формати, актуализация на данни във векторни формати;
• избор на координатни системи и проекции от библиотеки, с възможности за задаване на параметри от потребителя;
• създаване на потребителски модели ГИС данни с точкови, линейни и площни обекти, с възможности за гнездуване и сегментиране, задаване на различни типове атрибути, условни знаци, имидж и войс файлове, и пр.;
• обработка на данни от различни периферни устройства – далекомери, ехолоти, баркод скенери и пр.

Надстройката GPSCorrect добавя към ESRI ArcPad възможности за пределяне на координати чрез диференциални и H-Star методи.
За реализиране на пълната функционалност на GPS апаратурата в този сегмент е необходим офис софтуерът Trimble Pathfinder Office, или надстройката GPS Analyst към софтуера ArcGIS на ESRI.

Програмните продукти, посочени по-горе, могат да се инсталират и на други устройства от този сегмент – това са интегрираният GPS приемник Juno (фиг. 12) и наскоро анонсираният PDA таблет Yuma (аналог на Trimble Tablet в сегментите “Геодезия” и “Сроителство”). На пръв подлед непретенциозни – с точност в рамките на 2-5 m, това са професионални ГИС терминали с пълна софтуерна съвместимост с уредите от сериите GeoExplorer и Patfinder Pro. Седеминчовият дисплей на Yuma (фиг. 13) дава възможност за получаване в полски условия на избражения с голям обхват и детайлност – предпоставка за по-комфортна и производителна работа..

Фигура 12.GPS приемник Juno SC

Фигура 13. GPS таблет Yuma

С други думи, устройствата и програмните продукти в сегмента “Картиране, утилити и ГИС” обхващат целия спектър от дейности – по точност, оперативност и системна архитектура. Наред с това се осигурява пълна софтуерна съвместимост и се поддържат най-разпространените формати и протоколи за обмен.

В заключение трябва да изтъкнем, че диверсификацията на професионалните ГНСС продукти, постигната в резултат на близо 30-годишното им развитие, е не по-малка от тази в сферата на традиционните геодезически технологии. Водещ производител с традиции, Trimble присъства убедително във всички области на високия пазарен сегмент, където компромиси с качеството не се допускат.

Речник на съкращенията

ГИС – Географска инфорационна система
ГНСС – Глобална навигационна спътникова система
DGPS – Диференциален метод за определяне на местоположение
RTK – Кинематичен режим за измерване в реално време
VRS мрежа – Вид инфраструктурна мрежа от постоянни базови станции