Совершенствование требований к средствам топогеодезического и навигационного обеспечения

Введение

Современный этап развития экономики и оборонного комплекса характеризуется взрывным ростом объемов пространственных данных и ужесточением требований к их точности, достоверности и оперативности получения. Топогеодезическое обеспечение, традиционно понимаемое как комплекс мероприятий по созданию исходной геодезической основы и привязке объектов, все теснее смыкается с навигационным обеспечением, основанным на глобальных навигационных спутниковых системах (ГЛОНАСС/GPS), инерциальных датчиках и технологиях дистанционного зондирования. Автоматизированные системы управления транспортом, мониторинг деформаций инженерных сооружений и повсеместное внедрение беспилотных авиационных систем (далее – БАС) требуют единых, научно обоснованных и технологически требований к средствам измерений.

Несмотря на наличие ряда национальных стандартов и ведомственных руководящих документов, нормативная база топогеодезического и навигационного обеспечения (далее – ТГиНО) во многом остаётся фрагментированной. Часть стандартов не в полной мере учитывает возможности современных геодезических ГНСС-приёмников, работающих в режимах кинематики реального времени (РТК) и высокоточного позиционирования. Цель настоящей статьи – выявить ключевые пробелы в системе требований к средствам ТГиНО, провести анализ технических характеристик современных приборов и предложить пути совершенствования нормативной базы с акцентом на системную увязку точности, целостности и доступности навигационно-геодезической информации.

Характеристика средств топогеодезического и навигационного обеспечения современных средств ТГиНО

Технические средства, применяемых сегодня в топогеодезическом и навигационном обеспечении, можно разделить на три большие группы.

Первая группа – классические геодезические приборы: электронные тахеометры, цифровые нивелиры, высокоточные теодолиты. Их инструментальная точность достигает десятых долей угловой секунды и долей миллиметра по дальности, однако производительность работ ограничена необходимостью прямой видимости и ручного наведения.

Вторая группа – спутниковые геодезические приёмники, функционирующие по сигналам ГНСС. Современные мультисистемные приёмники способны в режиме статики обеспечивать среднюю квадратическую погрешность (СКП) плановых координат на уровне 3–5 мм + 0,5 мм/км, а в режиме РТК – 8–10 мм в плане и 15–20 мм по высоте при удалении от базовой станции до 30 км. Широкое распространение получили технологии с использованием уточнённых эфемерид, позволяющие достигать сантиметровой точности без локальной базовой станции.

Третья группа – комплексные системы, объединяющие приёмник ГНСС, инерциальный навигационный блок и лазерный сканер или цифровую камеру. Такие мобильные сканирующие комплексы устанавливаются на автомобили, суда, беспилотные летательные аппараты и обеспечивают получение облака точек высокой плотности с точностью 2–5 см в городских каньонах, где спутниковый сигнал подвержен экранированию и многолучевости.

Ключевым событием последних лет является миниатюризация и объединение датчиков на борту БАС. Малогабаритные ГНСС-модули, работающие совместно с микроэлектромеханическими ИНС, сегодня обеспечивают определение углов ориентации (крен, тангаж, курс) с погрешностью порядка 0,1-0,2°, что открывает возможность прямой геопривязки данных аэрофотосъемки без наземных опорных знаков.

Действующая нормативная база

Базовым правовым документом является Федеральный закон от 30.12.2015 № 431-ФЗ «О геодезии, картографии и пространственных данных…», который устанавливает единство координатного описания территории страны. Технические требования к средствам измерений рассредоточены по нескольким десяткам нормативно-технических актов, из которых наибольшее значение имеют:

• ГОСТ Р 51794-2017 «ГНСС. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек»;
• ГОСТ 32453-2017 «ГНСС. Станции дифференциальной коррекции. Общие технические требования»;
• ГОСТ Р 8.903-2015 «Государственная система обеспечения единства измерений. Аппаратура геодезическая спутниковая. Методика поверки»;
• РТМ 68-14-01 «Спутниковая технология геодезических работ. Термины и определения» (рекомендательный характер);
• ведомственные инструкции по топогеодезическому обеспечению, регламентирующие требования к пунктам государственной геодезической сети (ГГС) и сетей сгущения.

Указанные документы устанавливают допустимые СКП координат пунктов ГГС (например, 0,02-0,05 м в плане для фундаментальной астрономо-геодезической сети), требования к форматам передачи дифференциальных поправок, а также регламентируют методики калибровки. Однако многие стандарты ориентированы преимущественно на стационарные или полустационарные методы наблюдений и слабо затрагивают мобильные кинематические системы.

Выявленные проблемы и противоречия

Сопоставление возможностей современных средств ТГиНО с предъявляемыми к ним требованиями обнаруживает несколько системных противоречий.

Во-первых, отсутствует единый стандарт, регламентирующий комплексные навигационно-геодезические системы. Существующие ГОСТы рассматривают либо приёмник ГНСС, либо отдельно инерциальный датчик, не задавая критериев оценки точности и целостности их совместной работы. Между тем, именно глубокая интеграция позволяет сглаживать ошибки в зонах неуверенного приёма спутников, что критически важно для БАС.

Во-вторых, нормативные значения точности, установленные для традиционной топографической съёмки масштаба 1:500 (СКП планового положения контуров 0,5 мм в масштабе плана, т. е. 0,25 м на местности), оказываются слишком грубыми для задач мониторинга деформаций мостов, башен или высокоскоростных железных дорог, требующих миллиметровых точностей в реальном времени. С другой стороны, для агропромышленного сектора сантиметровая точность не всегда необходима, но важна непрерывность навигационного сервиса, что также слабо отражено в документах.

В-третьих, фрагментарно прописаны требования к помехоустойчивости и целостности навигационного поля. Стандарт ГОСТ 32453-2017 задаёт параметры дифференциальных станций, но не содержит обязательных норм по времени предупреждения о нарушении целостности для геодезических приложений. В авиационных стандартах такие параметры жёстко регламентированы, тогда как в области ТГиНО наблюдается явный пробел, затрудняющий сертификацию средств для критически важных применений.

В-четвёртых, в условиях импортозамещения и перехода на отечественную компонентную базу обострилась проблема метрологического обеспечения. Многие перспективные российские ГНСС-модули и ИНС не имеют утверждённых типов средств измерений именно из-за отсутствия гармонизированных программ и методик испытаний, учитывающих специфику одновременной работы нескольких навигационных каналов.

Разработка интегрального стандарта на комплексные системы ТГиНО

Представляется необходимым создание национального стандарта, условно обозначаемого «Средства топогеодезического и навигационного обеспечения комплексные. Общие технические требования». В нём должны быть зафиксированы:

• классификация систем по степени интеграции (раздельные, слабосвязанные, сильносвязанные);
• единые показатели точности определения координат, высот, углов ориентации и их производных (скорости, ускорения) для статического, кинематического и динамического режимов;
• требования к обновлению навигационного решения (не реже 10–20 Гц для БАС, 1–5 Гц для наземного транспорта);
• нормы по целостности – допустимое время до выдачи предупреждения при отказе одного из датчиков (целевой ориентир – не более 2 секунд для критически важных применений).

Принятие такого документа позволит производителям и потребителям иметь единую шкалу для сравнения характеристик различного оборудования и упростит процедуру сертификации.

Актуализация требований к точности с учётом ГНСС-технологий

Действующие инструкции по топографической съёмке опираются на допуски, вычисленные исходя из графической точности бумажных планов. Современный цифровой рабочий процесс не имеет подобных ограничений, поэтому требуется пересмотр допустимых погрешностей в сторону ужесточения там, где это экономически оправдано. Целесообразно ввести дифференцированную шкалу точности, например:

• прецизионный класс (СКП плановых координат не более 1 см, по высоте – 2 см) – для мониторинга сооружений, высокоскоростных магистралей;
• стандартный класс (СКП 5 см в плане и 10 см по высоте) – для кадастровых работ, инженерных изысканий;
• обзорный класс (СКП 0,5–1,0 м) – для предварительной разведки, экологического картографирования.

Такой подход уже частично реализован в рекомендациях Международной федерации геодезистов, но нуждается в официальном закреплении на уровне российских ГОСТов.

Гармонизация с международными нормами и усиление требований к целостности

Несмотря на обоснованный курс на технологическую независимость, полная изоляция от мировых наработок нецелесообразна. Ряд положений стандартов оптики и оптоэлектроники), а также аэронавигации могут быть адаптированы к отечественным координатным системам. В перспективных российских стандартах целесообразно закрепить:

• обязательное наличие функции в геодезических приёмниках, работающих в режиме реального времени;
• порог защитного уровня по горизонтали не более 10 м для транспортных приложений и 1 м для геодезических;
• совместимость с системой дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) и сигналами функциональных дополнений системы ГЛОНАСС.

Реализация этих требований позволит применять средства ТГиНО при посадке беспилотных воздушных судов и в системах предупреждения столкновений.

Метрологическое обеспечение и унификация программ испытаний

Для устранения дефицита утверждённых методик поверки комплексных систем предлагается разработать и утвердить в Росстандарте обобщённую программу испытаний, включающую:

• проверку точности на эталонном геодезическом базисе (длины линий до 10 км, перепад высот до 500 м) одновременно с эталонным приёмником;
• испытание на устойчивость к широкополосным и узкополосным помехам в безэховой камере;
• оценку дрейфа ИНС при отключении спутникового сигнала на фиксированные интервалы времени;
• валидацию алгоритмов целостности путём внесения искусственных ошибок в эфемеридную информацию.

Стандартизация таких процедур не только упростит допуск российского оборудования на рынок, но и создаст стимулы для развития конкурентоспособных производств.

Предложения по внесению изменений в действующие нормативные документы

На основе проведённого анализа можно сформулировать конкретные изменения в наиболее востребованные стандарты:

• В ГОСТ Р 51794-2017 – расширить раздел, посвящённый методам пересчёта координат во времени (учёт скоростей тектонических плит) и ввести обязательное требование к хранению истории трансформационных параметров для обеспечения воспроизводимости результатов.
• В ГОСТ 32453-2017 – добавить классы дифференциальных станций с нормированным временем доступа к поправкам (менее 0,5 с) и требования к защищённому каналу передачи сообщений для предотвращения спуфинга.
• В РТМ 68-14-01 – перевести из рекомендательного в статус обязательного приложения с терминологией для мобильных картографических комплексов и БАС.

Кроме того, инициировать разработку нового ГОСТ Р «Системы навигационно-геодезические беспилотных авиационных систем. Технические требования и методы испытаний», проект которого мог бы быть рассмотрен техническим комитетом «Геодезия и картография» совместно с техническим комитетом «Функциональные дополнения к спутниковым навигационным системам».

Заключение

Проведённый анализ показывает, что существующая система нормативно-технических требований к средствам ТГиНО отстаёт от темпа технологических изменений. Разрозненность документов, отсутствие интегральных показателей целостности, неполный охват беспилотных и мобильных сканирующих систем являются критическими барьерами для широкого внедрения современных методов координатного обеспечения.

В качестве приоритетных путей решения обоснованы: создание единого стандарта на комплексные системы ТГиНО, дифференциация требований к точности, обязательное нормирование функций контроля целостности навигационного сигнала и разработка унифицированных методик метрологических испытаний. Реализация предложенных мер позволит повысить качество и юридическую значимость пространственных данных, сократить издержки на сертификацию импортозамещающей продукции и создать технологический фундамент для цифровых транспортных систем, точного земледелия и безопасной эксплуатации беспилотной авиации.