УДК: 332.37

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10004

ТЕСТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ GPS-ГЛОНАСС ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ

TESTING OF GPS-GLONASS TECHNOLOGY FOR LAND MONITORING

Жигалов Кирилл Юрьевич, с.н.с., кандидат технически наук, Института проблем управления науки В.А. Трапезникова, Российской Академии наук, Москва, Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова Российской академии наук, Грозный

Аветисян Карэн Рафаелович, преподаватель, Московского университета МВД России имени В.Я. Кикотя

Jigalov K.Y., KShakalov@mail.ru

Avetisyan K.R., Karen-Avetisyan-1989@bk.ru

Аннотация. Исследование функциональных возможностей технологий GPS и ГЛОНАСС, при интеграции систем мониторинга земель как решения в сельскохозяйственной сфере, направленной на повышение эффективности выполнения задач данного порядка. В связи с развитием технологий в данной отрасли корректным решением является систематический анализ рынка технологий, и определение наиболее подходящих решений при выполнении задач, специфика которых связанна с мониторингом территорий сельскохозяйственного назначения.

Summary: Research of functionality of GPS and GLONASS technologies, at integration of systems of monitoring of lands as the decision in the agricultural sphere directed on increase of efficiency of performance of tasks of this order. In connection with the development of technologies in this industry, the correct solution is a systematic analysis of the technology market, and the definition of the most appropriate solutions for the tasks, the specifics of which are associated with the monitoring of agricultural areas.

Ключевые слова: сельскохозяйственная сфера, мониторинг земель, GPS, ГЛОНАСС, анализ технологии, тестирование.

Keywords: agricultural sphere, land monitoring, GPS, GLONASS, technology analysis, testing.

Рост числа пользователей и миллиардные обороты от услуг, диктуют необходимость создания и применения комплексного подхода по применению систем спутниковой радионавигации и обработки информации, получаемой при мониторинге земель. [1]

По данным Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии площадь сельскохозяйственных территорий Российской Федерации на январь 2018 г. составляла: 222,0 млн га.[3]

Технологии, основанные на базе вычисления точных эфемерид, успешно догоняют по точности дифференциальные сервисы и сети постояннодействующих базовых станций. С другой стороны, число самостоятельных систем спутниковой радионавигации имеет положительную динамику роста. Возрастёт конкуренция и цена за потерю репутации. Практически для этих измерений будет введено, что-то вроде презумпции виновности. И каждая система должна будет доказывать своё право на обслуживание широчайшего контингента пользователей. Поэтому, тем больше независимых проверок этих систем, тем лучше. Но для того, чтобы количество переходило в качество, необходим унифицированный подход, приводящий к сопоставимым результатам. Наличие нескольких параллельных и независимых проверок самой системы радионавигации повысит качество результатов и доверие к ним. Если пользовательские системы будут достаточно квалифицированы, то их информацию можно будет так же использовать в аварийных ситуациях вместо штатных средств, повышая надёжность всей системы в целом.

Как система наблюдений, оценки и прогнозирования, направленных на получение достоверной информации о состоянии земель, об их количественных и качественных характеристиках, их использовании и о состоянии плодородия почв – мониторинг посредством спутниковой системы наблюдения представляется как наиболее эффективное решение. [2]

В настоящее время в этой области заметно отставание. Спутниковая радионавигационная аппаратура тестируется на базисах, разбитых на полигонах. Для навигационной аппаратуры этот процесс ещё примитивнее. Такие подходы в случае несостоятельности прибора только констатируют факт несоответствия. Кроме того, нет никаких гарантий, что после успешного подобного тестирования, система не проявит себя не эффективно по прошествии определённого времени, или в изменившихся условиях.

Имея дело со сложнейшей радиотехнической системой, обслуживаемой многими людьми, находящимися порой в разных странах, необходим подход к исследованию спутниковых радионавигационных систем на основе факторного анализа.

Особенно важно это для Российской системы ГЛОНАСС, которая длительное время работала в ограниченном режиме, что привело к отказу части потенциальных пользователей воспринимать её как самостоятельную [5,6].

Для формирования комплекса мероприятий, повышающих доверие к работе, как космических сегментов, сегментов управления, так и сегментов пользователей спутниковых радионавигационных систем необходимо рассмотреть систему тестов, проверок и поверок в зависимости от целей и исследуемых факторов.

Иерархия методик тестирования определяется предъявляемыми требованиями к точности проводимых измерений, сложностью их организации и массовостью. Предлагается следующая ранжировка этих методик: простая визуальная проверка работоспособности основных режимов, а также соответствия инструкций, описываемому ими ПО и оборудованию («Предпродажная проверка»); аттестация на контрольном базисе; оценка шумов аппаратуры; оценка методических ошибок ПО; оценка чувствительности к малым перемещениям; оценка методических ошибок под действием условий внешней среды.

Наиболее простой и значимой является простая предпродажная проверка суть, которой в визуальном контроле комплектности оборудования, проверке работоспособности режимов, описанных инструкцией, оценка соответствия последовательности действий, описанных в инструкции реакции на них программного обеспечения и оборудования. Критерием здесь служит простая оценка соответствия. Этот наиболее массовый тип проверок, применяемый ко всем видам оборудования от простых навигаторов до высокоточных многочастотных приёмников.  Бессмысленно проводить высокоточный тест для некомплектного оборудования с недееспособной технической документацией, и неработающими режимами.

Аттестация на контрольном базисе предполагает разовую метрологическую оценку прибора. Метод не позволяет эффективно разделить ошибки по источникам и критерием оценки служит пред рассчитанный допуск. Если ошибка измерений превышает допуск, то прибор не аттестуется и отправляется производителю. Такая аттестация не гарантирует правильную работу прибора при последующей эксплуатации. Применяется принцип практической уверенности, основанный на статистике отказов. Метод не застрахован от ошибочных результатов и случаев, когда прибор не проходит проверку по причине общесистемного сбоя спутниковой системы радионавигации. Ещё один недостаток метода в том, что базис, как правило, разбивается на открытой местности, и в условиях, близких к идеальным. Реальные наблюдения могут производиться совсем в иных условиях. Может иметь место глушение сигнала близкими частотами, переотражение, интерференция. В таких условиях, может применяться встроенное ПО, призванное снижать эти эффекты. Оно требует отдельных проверок, в этом случае не проводимых.

Оценка шумов аппаратуры необходима, поскольку напрямую приводит к случайной задержке сигнала в электронной схеме. Не всегда высокая шумность платы является недостатком. Применяемые способы обработки сигнала могут сильно подавлять шумы, внося при этом другие искажения, приводящие к ошибкам. Критерий для оценки случайных задержек сигналов, должен учитывать конкретную технологию обработки, применяемую именно в приёмнике данного типа. Наиболее простой случай, когда шумы сравниваются для приборов заданного форм-фактора и вырабатываются относительные критерии, позволяющие оценивать качество каждого экземпляра. Оценка шумов аппаратуры, как правило, проводится для комплекта точных приёмников, определяющих вектор дифференциальным методом. Навигаторы таким исследованиям не подвергаются, так как ошибка, вносимая шумами ничтожно мала по сравнению с атмосферной задержкой. 

Оценка методических ошибок ПО связана с тем, что, и встроенное в приёмник программное обеспечение (FirmWare), и программы обработки используют физические модели и константы, влияющие на результаты измерения. Методики, применяемые разными производителями, вообще говоря, не должны давать одинаковые результаты. Разница в результатах может так же возникать при определённых условиях наблюдений. Для точного сопоставления результатов полученных разными приёмниками эти различия должны быть исследованы и получены необходимые поправки. Необходимость таких исследований может возникнуть у приборов разных точностей. Однако, чаще всего, такая необходимость возникает при высокоточных измерениях при больших длинах базовой линии.

Оценка чувствительности приёмников к малым перемещениям производится с целью определить пригодность получаемых измерений для мониторинга усадки зданий и геодинамических исследований. Оценка методических ошибок из-за условий внешней среды в основном необходима при вынесении вердикта доверия к измерениям, которые наблюдатель вынужден выполнять в сложных условиях. Это плохая видимость спутников, помехи, пере отражения. Однако, без выполнения подобных исследований, трудно определить причину плохих результатов, которые могут так же быть и следствием работы самой навигационной системы.

Поскольку тестированию подлежит сложнейшая система, работа которой подвержена множеству плохо предсказуемых факторов, то разработка частных методик тестирования отдельной аппаратуры и их реализации должна осуществляться с применением самых современных методологий системного структурного анализа и средств его автоматизации- CASE-средств. В качестве примера, для проектирования методики тестирования, можно рекомендовать применение Диаграмм Потоков Данных (DFD), а для создания технических заданий для реализации тестов Диаграммы Переходов Состояний (STD). 

В первом случае процессы тестирования и потоки данных, необходимые для их реализации. На базе этой информационно-логической модели могут быть построены Диаграммы Переходов Состояний, увязывающих события, или команды приёмника с реакцией на них. В случае простых визуальных тестов данные диаграммы могут быть выданы тестировщику, чтобы он мог их «пройти». Для более трудоёмких и сложных тестов необходима разработка специального программного обеспечения, как для компьютера, так и для загрузки в приёмник. Тестовая программа должна эмулировать действия с приёмником и дождаться правильной на них реакции. Автоматизации подлежат массовые и сложные виды проверок, в частности «предпродажная» проверка.

Некачественные эфемериды могут не только привести к сбоям при навигации, но и испортить результаты съёмочных работ и ценных экспериментов. Хотя во многих случаях эти данные можно восстановить. Для системы GPS архивы эфемерид, в том числе, точных апостериорных обычное дело, и к ним имеется открытый доступ на сайте NASA. Там же можно получить и аналогичные эфемериды ГЛОНАСС. Однако, это результаты вычислений западных специалистов, а в отечественной практике эта работа только начинает вестись. Тем не менее, доступ к этой информации, которая может быть использована для контроля качества эфемерид, есть.

Для более независимого контроля необходима специализированная система пунктов слежения. Для менее требовательных потребителей можно ограничиться контролем на уровне анализа непротиворечивости результатов.

Необходимо выполнить расчёты эфемерид спутника по интернет данным и сопоставить их с используемыми. Для этого необходима модель движения навигационного спутника, использующая те же постоянные, что применяются при расчёте эфемерид в самих системах GPS и ГЛОНАСС [4]. Наиболее профессиональный подход – создание программы для численного интегрирования дифференциальных уравнений движения навигационных спутников и оценки методических ошибок по результатам сопоставления прогнозируемых значений и полученных с борта, или из интернета.  Для системы GPS все необходимые параметры моделей движения опубликованы. По ГЛОНАСС опубликованы параметры Земли, а часть данных по модели движения могут отсутствовать в открытом доступе [4].  

Тем не менее, проблема получения данных вполне решаема, а многие пробелы по малым возмущающим факторам можно возместить за счёт иностранных источников, с последующим уточнением.  В качестве интегратора уравнений движения традиционно используют программу Эдгара Эверхарта RADA, или RADAU. Эта программа позволяет интегрировать уравнения движения сразу второго порядка, использует для повышения точности интегрирования интервалы Гаусса-Радо и позволяет применять формулы 11-го порядка и выше.

Использование этой программы позволяет выполнять численное интегрирование практически с наивысшей для данного класса задач точностью. Обычно программа выполняет на одном шаге две или три итерации, что производит впечатление, что она выполняет неэффективные действия. Однако, опытные пользователи на первой итерации запускают упрощённый расчёт правых частей, а на следующей точный. Поэтому, практически, вычислительные затраты не отличаются от вычислений с одной итерацией. Точность интегрирования при правильно выбранном шаге может составлять мм на сутки прогноза. Описание алгоритма и тексты программ опубликованы в открытых источниках. Связывая между собой прогнозом моменты, на которые выложены эфемериды, можно составить систему уравнений, позволяющую уточнить параметры движения навигационного спутника и оценить ошибки выложенных, или полученных с борта эфемерид.

Системы спутниковой навигации представляют собой сложную систему с большим количеством сложных элементов связанных с передачей и приёмом сигналов. Кроме того, объект измерений – пункты на поверхности Земли не имеют стабильного положения, поскольку Земля не является твёрдым телом и подвержена деформациям. Выделение и оценка этих источников из измерений представляет собой сложнейшую технологию чем-то напоминающую факторный анализ.

При этом, чтобы доверять высокоточным результатам нужно проанализировать и доказать правильность работы всей системы в целом, что позволит в частности производит и мониторинг земельных массивов в заданном оператором автоматическом режиме, получая в режиме реального времени актуальную информацию и накапливая данные с целью дальнейшего их анализа.

Литература

1. Распоряжение Правительства РФ от 30.07.2010 № 1292-р «Об утверждении Концепции развития государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения и земель, используемых или предоставленных для ведения сельского хозяйства в составе земель иных категорий, и формирования государственных информационных ресурсов об этих землях на период до 2020» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.consultant.ru/ document/cons_doc_LAW_103410/ – Загл. с экрана.
2. Земельный кодекс Российской Федерации от 25 октября 2001 г. № 136-ФЗ [Электронный ресурс] – Режим доступа: Консультант Плюс. – Загл. с экрана.
3. Государственный (национальный) доклад о состоянии и использовании земель в Российской Федерации [Электронный ресурс] // Сайт Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии. – URL: https://rosreestr.ru/site/activity/sostoyanie-zemel-rossii/gosudarstvennyy-natsionalnyy-doklad-o-sostoyanii-i-ispolzovanii-zemel-v-rossiyskoy-federatsii/ (дата обращения 12.04.2018)
4. Жигалов К.Ю. Автоматизация управления и мониторинга процессов строительства с использованием ГИС систем//Фундаментальные исследования. 2014. № 12-3. С. 492-494.
5. Жигалов К.Ю. Подготовка техники к использованию в системах автоматизированного управления строительства автодорог//Естественные и технические науки. -2014. -№1 (69). -С.285-287.
6. Земельные ресурсы и их использование // Итоги Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2006 года: в 9 т. Том 3. — Москва.: ИИЦ «Статистика России», 2008. – 312 с.
7. Предварительные итоги Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2016 года по Российской Федерации // Предварительные итоги Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2016 года: в 2 т. Том 2: — Москва: ИИЦ «Статистика России», 2017. – 290 с.
8. Официальный сайт Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии [Электронный ресурс]. — Режим доступа: www.rosreestr.ru. – Загл. с экрана.