В статье рассматривается применение спутниковых технологий для создания информационного пространства на железнодорожном транспорте. Описаны принципы, основные режимы и методы проведения спутниковых измерений. Показано развитие геодезических методов.
Ключевые слова: транспорт, железные дороги, управление, спутниковые технологии, информационное транспортное пространство, абсолютные и относительные измерения, геодезические методы, цифровая железная дорога.
Понятие «информационное транспортное пространство» существует достаточно давно, и оно модернизируется совместно с развитием технических средств и вычислительных методов. Информационное транспортное пространство (ИТП) используется для управления [1, 2], мониторинга [3–5], и развития транспортной инфраструктуры [6], для выполнения работ по мобильному лазерному сканированию [7] и так далее. ИТП является средством поддержки интеллектуальных транспортных систем, интеллектуальных логистических систем, транспортных киберфизических систем. Информационное транспортное пространство является главной составляющей создания цифровой железной дороги и автономного поезда, а также важной частью контроля высокоскоростного движения. Цифровая железная дорога — это целый комплекс информационно-аналитических систем, систем управления перевозочным процессом, систем управления вокзальными комплексами, интеллектуальных систем для тягового подвижного состава и т. д. Основой в этом комплексе являются отказоустойчивые интеллектуальные системы управления движением грузо-пассажиропотоками, системы железнодорожной автоматики телемеханики и связи. Цифровизации и информационным технологиям в программе посвящён отдельный раздел. В нём указано, что ключевые направления развития информационных систем в открытом акционерном обществе «Российские железные дороги» включают в себя:
– создание единого информационного пространства грузовых перевозок и логистики для повышения доходности грузоперевозок и логистического бизнеса;
– создание единого информационного пространства пассажирского комплекса для повышения доходности пассажирских перевозок;
– формирование сквозных цифровых технологий организации перевозочного процесса («Цифровая железная дорога») для повышения эффективности железнодорожных перевозок и инфраструктуры;
– создание единой интегрированной автоматизированной системы управления, оптимизацию корпоративных систем управления предприятием, анализ и разработку отчетности для повышения доходности зарубежной деятельности, увеличение эффективности социальной сферы и корпоративного управления.
Для информационного транспортного пространства необходима координатная поддержка. Одним из важных видов поддержки ИТП являются спутниковые технологии.
Развитие космической и спутниковой геодезии привело к новым технологическим решениям координирования на земной поверхности — спутниковому методу определения пространственных координат на земной поверхности. Основой определения координат является система связанных спутников на околоземных орбитах и наземные приемники, которые фиксируют сигналы разных спутников. Используют российскую систему, которая называется ГЛОНАСС. Это российская спутниковая система навигации, предназначенная для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. ГЛОНАСС — единственная система в мире, которая предоставляет доступ к гражданскому сигналу глобального позиционирования в двух частотных диапазонах L1 и L2 потребителям по всему миру на безвозмездной основе.
Погрешность ГЛОНАСС для решения гражданских задач составляет 3–5 метров в абсолютном режиме. Более точно следует говорить об удаленных космических измерениях (порядок 20 000 км) и близких наземных измерениях (2–20 км).
Абсолютный (удаленный) метод основан на измерении дальности от спутника до приемника по частоте радиосигнала от спутника. Узнать координаты точки на земной поверхности только по одному расстоянию от спутника до приемника невозможно. Если таких спутника 4, то приемник находится на вершите тетраэдра. Такое применение четырех спутников приводит к однозначному определению координат точки расположения спутникового приемника. Удаленные спутниковые измерения обладают невысокой точностью, имеют ряд недостатков (радиопрозрачность, состояние ионосферы, влияние помех наземных передатчиков и устройств и прочее). При погрешности от трех до пяти метров для геодезических работ исключается использование данного метода.
Метод близких наземных измерений основан на методе относительных измерений. Относительные измерения более точны, для них необходимо использовать эталон или точку отсчета. Эта точка отсчета создается зафиксированным, не меняющим положение, приемником. Ему дается название «базовая станция» или «опорная станция». Для транспорта опорные станции располагают вдоль трассы более двух штук.
Кроме базовой станции используют второй приемник, который называют мобильной станцией (МС).
Также в относительных измерениях используют ровер (rover) — подвижный приемник, который дает возможность проводить подвижные или мобильные измерения. Используют следующие режимы работы: static, kinematic, fast static. Они различаются временем фиксации сигналов от спутников. Это время служит главным фактором определения координат.
Для режимов kinematic и fast static очень важен контроль. Случайные помехи способны искажать координатные измерения. Их влияние существенно для этих режимов. Также большое влияние на точный результат влияют прозрачность ионосферы, расположение созвездия искусственных спутников близко к прямой или к треугольнику, кратковременные радиопомехи, кратковременное радиоэхо.
Одной из важных проблем при проведении спутниковых измерений является методика закладки геодезических пунктов. Следует отметить, что принята практика в городских условиях закладывать центры на капитальных сооружениях и зданиях. Не рекомендуется закладывать геодезические пункты на зданиях или сооружениях, которые расположены на расстоянии менее 50 м от железной дороги.
Топографическая съёмка с применением спутниковых технологий — это технологический процесс сбора информации о местоположении каждой точки местности путем измерения и вычисления приращений координат относительно БС.
Топографическая съемка поверхности показывает высоту, глубину, размер и расположение любых искусственных или природных объектов на данном участке земли, а также изменения или контуры высот по всему участку. В то время как при съемке границ основное внимание уделяется горизонтальным измерениям границ, при топографической съемке измеряют плановые и высотные координаты.
Топографические съемки создавались сериями и служили основой для более крупных топографических карт. Эти крупномасштабные съемки предназначались для выявления возвышенностей и форм рельефа, не перечисленных на традиционных картах и съемках.
Для проведения топографической съемки используются устройство глобальной системы позиционирования (GPS) геодезического качества, теодолитные станции (total station theodolite — TST), устройства электронного измерения расстояния (electronic distance measurement — EDM) для определения местоположения объектов, показанных на плане. Топографическая съемка показывает существующие объекты, границы владений и изолинии, обозначающие рельеф местности.
При формировании полосы отвода при строительстве железных дорог нужно проводить различные исследования, в том числе и топографические. Если высота и особенности земельного участка не учитываются в планах развития железных дорог, то невозможно назвать эти проекты успешно реализованными. Чтобы этого не допустить, используются топографические исследования с применением спутниковых измерений. Предоставляемые ими данные могут существенно изменить планы строительства и устранить информационную неопределенность.
Атрибутивная информация может быть интегрирована в топографические исследования, что помогает проектной группе учитывать необходимые и актуальные ограничения объекта строительства. Это могут быть участки через особенно разнообразные градиентные разрезы, высоту пятен окружающей земли и особенности участка, то есть соседние объекты для оценки обзора, информацию о подземных коммуникациях (из радиолокационного отслеживания и интеграции данных записей коммунальных служб). Топографические исследования с применением спутниковых технологий имеют множество практических применений.
Внедрение спутниковых технологий в топографические исследования изменило организационные и технические принципы полевых и камеральных работ. Рассмотрим особенности вышеуказанных технологий:
- При использовании традиционных наземных геодезических методов неизбежно возникала потребность обеспечения прямой видимости между смежными определяемыми пунктами. Эта ситуация приводила к необходимости выбора пунктов на командных высотах местности, доступ к которым был не всегда удобным. Также нужно было строить дорогостоящие геодезические наружные сигналы. Но даже эти требования не решали проблему ограничения расстояниями в несколько десятков километров между смежными пунктами.
Современное спутниковое оборудование дали возможность отказаться от постройки наружных сигналов и выбора пунктов на возвышении. Оно способно проводить высокоточные геодезические измерения при отсутствии прямой видимости между пунктами. При этом длина измеряемых базисных линий увеличилась до тысячи и более километров.
- При выполнении большинства геодезических измерений традиционными методами требуется не только прямая, но и оптическая видимость между пунктами, следствием чего является необходимость выбора хороших условий видимости и соответствующего времени суток, наличия растительности, что снижает производительность полевых работ. Спутниковые методы определения местоположения являются, по существу, всепогодными, в результате чего измерения можно производить при любой погоде, в любое время суток и в любое время года. При этом производительность труда полевых бригад резко возрастает, не требуется прорубать визирки.
- Геодезические измерения, базирующиеся на традиционных методах, приходится производить в высокодинамичных неустойчивых приземных слоях атмосферы. В результате этого внешние условия оказываются, во многих случаях, основным источником ошибок, ограничивающим предельную точность геодезических измерений, сокращая тем самым круг задач, решаемых геодезическими методами. При использовании спутниковых технологий влияние атмосферы удаётся уменьшить в десятки раз, что позволяет повысить предельную точность измерений на один — два порядка.
- Большинство традиционных геодезических методов предназначено для выполнения измерений между неподвижными пунктами (статика). Это негативно сказывается на развитии методов динамики, ориентированных на выполнение геодезических измерений в движении (морская геодезия, аэрофотосъемка и др.).
- При изучении различных деформаций, возникающих в земной коре, крупных инженерных сооружениях и на других объектах, появляется необходимость выполнения достаточно частых (а иногда и непрерывных во времени) измерений. Привычные геодезические методы плохо приспособлены к организации таких мониторинговых измерений на объектах больших размеров. Что касается спутниковой аппаратуры потребителя, то она без особых затруднений позволяет производить такие измерения.
- Развиваемые в течение многих лет геодезические методы были ориентированы на раздельное создание плановых и высотных сетей, что обусловлено недостаточной универсальностью традиционных методов, не позволяющих одновременно и с необходимой точностью определять все три координаты пунктов. Спутниковые технологии открывают такую возможность, в результате чего целесообразность раздельного построения плановых и высотных сетей становится, в большинстве случаев, необоснованной.
- Привычные методы геодезических измерений характеризуются сравнительно низким уровнем автоматизации. Этот фактор снижает производительность труда. Также существует вероятность появления дополнительных ошибок измерений, обусловленных субъективными факторами. Спутниковые измерения исключают большое влияние и роль наблюдателя, так как практически весь процесс измерений и последующих вычислений полностью автоматизирован.
Информационное транспортное пространство — новый термин, который используется в разных контекстах. Организация такого пространства закладывает фундамент для развития высокоскоростного движения.
Литература:
- Розенберг И. Н., Цветков В. Я. Распределенное управление на транспорте // Наука и технологии железных дорог. — 2018. Т.2.– 3(7). — С.3–16.
- Ознамец В. В. Информационное управляющее транспортное пространство // Наука и технологии железных дорог. 2020. Т.4.– 4(16). — С.43–50.
- Розенберг И. Н. Геоинформационный мониторинг транспортных объектов // Науки о Земле. — 2012.- № 3. — С.20–25.
- Цветков В. Я. Геоинформационный геотехнический мониторинг // Науки о Земле. — 2012. — № 4. — С.054–058.
- Охотников А. Л. Геоинформационный мониторинг транспортных объектов // Наука и технологии железных дорог. — 2017. — 3(3). — С.35–47.
- Лёвин Б. А. Комплексный мониторинг транспортной инфраструктуры // Наука и технологии железных дорог. — 2017. Т.1.– 1(1). — С.14–21.
- Научно-методический журнал «Наука и технологии железных дорог» (Международный стандартный номер сериального издания ISSN 2587–5752 от 13.07.2017)
