Что геодезия ждет от ГЛОНАСС

Гражданское применение глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) можно обобщить кратко как создание инфраструктуры пространственных данных. В геодезии, в частности, это планирование территорий, землеустройство, различные съемки, строительство, создание геодезических сетей, изучение планетарных процессов, мониторинг геологической среды и др. Область применения ГНСС-технологий в геодезии простирается на задачи координирования объектов с ошибками от 1 мм.

Разработка систем GPS и ГЛОНАСC началась практически одновременно: в 70-х годах прошлого века. Передовые позиции в этой области были заняты системой GPS. Такое лидерство имеет, безусловно, веские основания.

Во-первых, сама система GPS и сопутствующая ей инфраструктура выстроены самым разумным образом, в результате чего пользователь получает высокую точность информационного обеспечения, скорость и удобство в общении. Во-вторых, система имеет «свойство» перманентного совершенствования. Побудительным мотивом к этому является конкуренция со стороны других ГНСС, и в первую очередь Galileo. Но вне зависимости от изначальной причины мотивация позитивно влияет на развитие GPS.

Как известно, общими свойствами ГНСC являются глобальный характер обслуживания, почти полная независимость позиционирования от погодных условий и времени суток, неограниченная пропускная способность, достаточно высокие надежность и точность. Для геодезии высокая точность позиционирования является важнейшим свойством. Общая тенденция совершенствования ГНСC - это улучшение технических характеристик спутников, наземной инфраструктуры, пользовательской аппаратуры, информационного обеспечения.

Чтобы реализовать потенциальные возможности ГНСС, необходимо иметь и совершенствовать технологию решения координатных задач. Сюда входит координатно-временное обеспечение, в т. ч. уточнение параметров Земли как планеты, небесных и земных систем координат, определение тектонических движений земной коры, процессов в атмосфере, формирование и поддержание на высоком уровне точности временных шкал, и на основе этого точное определение орбит навигационных спутников.

Для геодезии главным в этом плане является совершенствование технологии фазовых измерений. Аппаратурная точность единичных фазовых измерений (дробной части) составляет 1 мм и менее. Но реализации этой точности препятствуют проблема разрешения неоднозначностей фазовых циклов и ошибки учета среды распространения радиосигналов. Введение третьего сигнала на частоте L3 облегчает решение этих проблем. В то же время частотное разделение каналов в ГЛОНАСC существенно затрудняет разрешение неоднозначностей и усложняет приемную аппаратуру пользователей. В GPS и Galileo с кодовым разделением каналов таких проблем не существует. Моделирование среды распространения радиосигналов требует постоянных наблюдений за состоянием ионосферы и особенно тропосферы. Использование нескольких частот позволяет практически полностью исключить или учесть влияние ионосферы. Для учета влияния тропосферы необходимы непосредственные измерения метеопараметров на обслуживаемой территории или моделирование тропосферных задержек по другим, в т. ч. спутниковым, измерениям. В России эту работу может вести Гидрометеослужба, но для этого требуется проведение организационных мероприятий.

Состояние информационного обеспечения системы ГЛОНАСC вызывает пессимизм. Этому изначально не уделялось должного внимания. Информационное обеспечение является сложным и дорогостоящим процессом. Его создание и поддержание на приемлемом уровне не под силу одному ведомству и даже государству. Здесь необходимо международное сотрудничество.

Сегодня участие России в этом сотрудничестве никак нельзя назвать эффективным, несмотря на то, что мы имеем необходимый для этого интеллектуальный потенциал. Понимание необходимости этого вида обеспечения присутствует и у руководства проекта ГЛОНАСС. Но декларативная апологетика в этом вопросе уже давно должна уступить место конкретным действиям. Основным элементом информационного обеспечения является создание и поддержание на приемлемом уровне небесных и земных систем координат, связей между ними. Этим занимаются международные организации, в первую очередь Международный астрономический союз (МАС), МСВЗ, IGS. Продуктами их деятельности являются небесные системы координат и земная система ITRF. Для эксплуатации GPS Министерством обороны США введена и используется геоцентрическая координатная система WGS-84, которая в 2000 г. практически совмещена с ITRF2000. В Galileo также будет применяться система ITRF. Для эксплуатации системы ГЛОНАСC Министерством обороны РФ введена и используется геоцентрическая система ПЗ-90. Вполне понятно, что для интеграции трех ГНСC должна применяться единая отсчетная систем а - ITRF. У разработчиков ГЛОНАСC есть понимание такого решения - сегодня вводится новая версия координатной системы - ПЗ-90.02, приближенная к системе ITRF2000.

Для создания отсчетных систем международным сообществом организованы и постоянно проводятся наблюдения на нескольких сотнях станций МСВЗ и IGS, рассредоточенных по всему миру. При этом используются самые современные средства и методы, в т. ч. ИСЗ, радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерная локация Луны (ЛЛЛ), астрономические наблюдения звезд и удаленных радиоисточников.

По этим наблюдениям определяются или уточняются параметры прецессии и нутации, характеризующие положение небесной системы координат, астрономическое и всемирное время, координаты полюса и скорость вращения Земли, связывающие небесные и земные системы отсчета, другие параметры Земли как планеты, в том числе гравитационное поле, движение тектонических плит, лунно-солнечные приливы в твердой Земле и океанах, другие параметры и процессы. Станции сетей МСВЗ и IGS с их координатами и собственными движениями на уровне ошибок первых единиц миллиметров и закрепляют геоцентрическую отсчетную систему ITRF. Все эти работы диктуют необходимость международного сотрудничества, но чтобы пользоваться их результатами на полноправной основе, России необходимо участвовать в этих работах, неся равную с другими участниками долю затрат.

Созданные таким образом отсчетные системы и постоянно обновляемые связи между ними служат фундаментом определения точных эфемерид спутников ГНСС. В настоящее время бортовые эфемериды спутников GPS вычисляются с ошибками порядка 2 м, а в ближайшей перспективе - менее 1 м. Ошибки точных эфемерид уже сейчас составляют менее 5 см. Эфемериды спутников ГЛОНАСC пока не обладают такой точностью.

Конечный результат позиционирования по ГНСC получают пользователи с применением геодезической, как правило, двухчастотной, аппаратуры. В России массовое производство отечественной спутниковой геодезической аппаратуры практически отсутствует. Иностранные фирмы выпускают совмещенные GPS/ГЛОНАСС-приемники на зарубежной электронной базе. Их разработка и производство частично организованы и в России. Вполне понятно, что использование спутников двух ГНСC дает ощутимый эффект по точности и времени позиционирования. Пока такое совмещение не является полноправным и информация ГЛОНАСC используется в качестве дополнительной. И это понятно. Разные системы координат и времени, неравноточность эфемерид, разное количество сигналов, разные схемы разделения навигационных сигналов предопределили в качестве опорной системы GPS. Полноправное использование потенциалов двух систем будет возможным только после устранения этих рассогласований.

Еще более пессимистично обстоит дело с разработкой технологии координатных определений и программного обеспечения математической обработки ГНСС-измерений. Серьезное ПО, доступное гражданским пользователям и сопоставимое по уровню с исследовательскими программами типа Gamit, Bernese и Gipsy, с коммерческими программами типа TGO, LGO, Pinnakle и др., в России отсутствует. Причин отставания много, но следствие одно: система ГЛОНАСC в целом и ее отдельные элементы в частности уступают GPS. Правда, отдельные предприятия и организации, связанные с космической отраслью, разрабатывают и даже имеют программные продукты, сопоставимые по качеству с зарубежными исследовательскими программами. Однако публично они не представлены, практически отсутствуют на рынке и как следствие - практически недоступны гражданскому пользователю. Поэтому у российского потребителя нет выбора - он фактически вынужден инвестировать не свою, а иностранную интеллектуальную элиту.

Высокий уровень исполнения GPS стимулируется, кроме всего прочего, еще и взаимным влиянием двух школ, одна из которых занимается техническим исполнением проекта, а другая - методологией математической обработки измерений. В разработке ГЛОНАСC такого сотрудничества не сложилось. Ситуацию необходимо исправлять, тем более что Россия имеет для этого необходимый интеллектуальный потенциал в лице геодезической и математической наук. Отчасти из-за недостаточного участия в разработке ГЛОНАСC геодезистов и математиков пользовательский интерфейс, тем более «дружественный», в ГЛОНАСC отсутствует. Для GPS «дружественный» интерфейс формировался с самого начала. Пользователи, в том числе гражданские, имеют свободный доступ к ресурсам GPS. В состав пользовательского интерфейса входят официальные документы правительственного уровня, регламентирующие работу ГНСС, технические регламенты и т. д., облегчающие работу с системой. Отличительной чертой пользовательского интерфейса GPS является его высокое техническое исполнение. Все элементы информационного обеспечения координатных задач размещены в глобальной сети Internet, они пополняются и обновляются в оговоренные сроки, их использование в программных продуктах не встречает трудностей. Все это и характеризует пользовательский интерфейс GPS как «дружественный».

Реализация вышеизложенных пожеланий связана с решением взаимосвязанных технических и организационных проблем и вопросов. Технические проблемы общеизвестны и заключаются в улучшении технических характеристик космических аппаратов, в т. ч. доступности пользователей к сигналам на трех частотах, желательно с кодовым разделением каналов космических аппаратов, в повышении точности кодовых и фазовых измерений, в разработке современной пользовательской геодезической аппаратуры. Доведение орбитальной группировки ГЛОНАСC до полного состава является конечной целью и относится к организационной стороне дела, но без решения технических вопросов и информационного обеспечения не даст эффекта.

Создать систему информационного обеспечения ГЛОНАСC высокого уровня практически невозможно без участия в работах международных организаций МАС, МСВЗ, IGS. Необходима активная кооперация с разработчиками и пользователями систем GPS и Galileo, участие в решении фундаментальных астрономических, геофизических и геодезических задач по изучению планетарных характеристик Земли, созданию небесных и земных систем координат, которое должны быть общими для всех ГНСС. Принципиальное значение для этого имеет привлечение к проблемам ГЛОНАСC академической, университетской и ведомственной наук, особенно астрономов, геофизиков, геодезистов и математиков. Они, являясь специалистами решения фундаментальных задач, являются в то же время потенциальными пользователями услуг ГНСС, могут качественно улучшить технический и информационный облик ГЛОНАСС. Это подтверждается опытом GPS, в которой используются все знания о Земле и околоземном пространстве, накопленные собственными силами и особенно международными организациями. Можно сказать, что весь интеллектуальный потенциал мира работает на GPS. В немалой степени благодаря участию ученых и научных центров всего мира, открытости GPS удалось создать непревзойденную на сегодня систему эфемеридного обеспечения, технологию решения координатных задач в многочисленных режимах, «дружественный» интерфейс между системой и пользователями. ГЛОНАСC рекомендуется идти этим же путем.

ГНСС-технологии, как известно, породили и множество функциональных дополнений. Для точного определения координат (на уровне ошибок от 1 мм до сантиметров) применяются так называемые локальные или региональные подсистемы, основанные на работе сетей референцных станций, реализующих режимы постпроцесинга и реального времени. Данные сети оказались настолько эффективными, что большинство развитых стран полностью покрыли подобными сетями свои территории, кардинально улучшив национальные геодезические сети. В России подобная сеть - Система точного позиционирования (проект «Москва») - из 22 референцных станций создана на территории Москвы и Московской области. Она обслуживает большинство пользователей геодезической сферы территории Московского региона. Система решает задачи координирования различных объектов в кадастре, строительстве промышленных и гражданских сооружений, дорог, нефте- и газопроводов, ЛЭП. Системе под силу также решение эксклюзивных задач, таких как определение координат центров фотографирования при аэрофотосъемке местности (с ошибками позиционирования 5 см), смещений грунтов (с ошибками 1 мм), подвижных объектов в кинематическом режиме (с ошибками 5-20 см), осуществляет метрологические поверки спутниковых приемников и др. При этом производительность работ возрастает по времени от 2,5 до десятков раз, а затраты снижаются в 2,5 и более раз. К сожалению, проект «Москва» и подобные ему построены на зарубежной технологической и программной базах.

Потребность на российском рынке в подобных проектах огромна, и предложение государственным и частным предприятиям аналогичных российских систем открыло бы практически неограниченные возможности для отечественных производителей и разработчиков, которое сегодня вынуждены пользоваться зарубежными ГНСС.