GPS (מערכת מיקום גלובלית) כפתרון בתהליך התכנון

קשה למצוא היום מודד שעובד בפרויקט הנדסי בשטח ללא מכשיר GPS, מכשיר ה GPS שבו משתמשים מודדים פועל לפי עיקרון שונה מזה של מכשיר ה GPS הפשוט שנמצא ברכב שלכם (חיתוך מרחקים מלוויינים).

השוני הראשון נובע משימוש במבנה אנטנה הנדסי מדויק ופילטרים משוכללים לקליטת מספר גדול יותר של תדרים משודרים. השוני השני הוא שיטת חישוב המיקום ע"י ייחוס מיקום המכשיר למכשיר GPS אחר שהוצב על נקודה בעלת מיקום ידוע (תחנת בסיס) בשטח או לחלופין ע"י ייחוס המיקום לתחנה מדומה שמסופקת ע"י רשת של תחנות קבועות (נשוא הכתבה). בדרך כלל ניתן לקבל מיקום בזמן אמת ממכשיר GPS הנדסי (גיאודטי) בדיוק של ס"מ בודדים. שיטת הייחוס של מכשירי הGPS  נקראת טכנולוגית GPS דיפרנציאלי בזמן אמת.השיטה הקלאסית היא ייחוס אל תחנת בסיס נייחת בשטח, השיטה החדשה יותר היא ייחוס לרשת של תחנות קבע (Realtime Network RTK) שהחלה  החלה לעניין הרבה חוקרים מתחילת שנות ה2000. 

הטכנולוגיה שהייתה מקובלת עד אז היא עבודה מול תחנת GPS אחת כלומר קו בסיס אחד. בהשוואת שתי הטכנולוגיות, הפתרון הדיפרנציאלי ביחס למספר תחנות קבועות מתגבר על חלק ניכר מאוד מהשגיאה שנובעת מהשפעת הטרופוספרה, יונוספרה ושגיאות מסלולי הלוויינים ותורם בכך לשיפור והתייעלות במישור העבודה בשטח. במטרה לספק פתרון עבור תעשיית הבנייה במדינה ומספר תחומים אחרים, החליטה חברת NAVSTAR לבנות רשת של תחנות GPS קבועות ברמת דיוק מרבית. הטקסט הבא מתאר את תהליך בניית מערך תחנות GNSS קבועות בפריסה ארצית לשימושם של מודדים, מהנדסים ומתכננים, מדענים ומשתמשים הדורשים שירות תיקוני מיקום מדויקים. במשך כל התהליך לא הותרה פשרה לגבי דיוק הרשת והפתרון שניתן לספק בסופו של דבר למשתמשי הקצה. כתבה זו נועדה להמחיש את האתגרים שעמדו בפנינו כמפעילי הרשת בעת הקמתה ואת הפתרונות שנבחרו.

חברת נאבסטאר (NavStar GPS & Surveying Instruments LTD) הנציגה הבלעדית של חברת Trimble נחשבת לחברה מחדשת בתחום המיפוי והמדידות במדינת ישראל. במהלך שנת 2011 ו2012 החברה הצליחה להקים באופן עצמאי רשת של תחנות GPS קבועות בפריסה ארצית אופטימאלית ולהשיג פתרון רשת מדויק. כאשר החברה התחילה בתהליך הקמת הרשת, היא בחנה מספר אפשריות ופתרונות שניתן לבצע בהם שימוש ולבסוף הוחלט להשתמש בפתרון מלא של חברת Trimble. חברת Trimble מספקת את פתרון התכנה והחומרה עבור רשתות CORS כבר משנת 1999. נכון להיום למעלה מ 2000 תחנות קבועות ביותר מ30 מדינות בעולם פועלות בשימוש בפתרון הרשת של Trimble. השימוש ברשת תחנות קבועות הפך להיות הפתרון הנפוץ ביותר בקרב מודדים ואני מקצוע אחרים. הפתרון שהוכיח את עצמו כפתרון פרקטי, יעיל ומדויק כאשר בוחרים לעבוד מול רשת של תחנות קבועות הינו השימוש בתחנת ייחוס מדומה - Virtual Reference Station (VRS), בשיטה הזאת מייצרים תחנה מדומה במרחק קצר מהמשתמש כאשר המטרה היא לספק למשתמש נתונים דומים לאלה שהיו מתקבלים מתחנה פיזית שהוצבה באותו מקום בשטח.

התחלת הרשת הייתה בניית תחנות בצפון ובמרכז : כפר כנא, מג'דל שמס ,מעלות, קיבוץ מעגן מיכאל ,תל אביב ואריאל. במהלך 2011 הרשת מנתה 6 תחנות. בתחילת שנת 2012  החברה רכשה את תוכנת PIVOT  מבית TRIMBLE  כדי לנהל את התחנות שברשותה. לאחר קבלת משוב חיובי מלקוחות החברה על טיב פתרון ה VRS  ורציפותו ובעידוד הלקוחות שלנו הוחלט על הרחבת הרשת ובמשך השנה נוספו עוד 9 תחנות כהשקעה מהון החברה ובעליה מתוך ידיעה שזו רשת מדויקת וזמינה ומבחינה עסקית יכולה להיות השקעה שיכולה להטיב ללקוחות ולחברה ביחד. כיום ישנו מספר גדול מאוד של מודדים שמחוברים לרשת NAVSTAR. כל הציוד ששימש ליצירת הרשת הינו הציוד החדש ביותר מהיצרן TRIMBLE, במשרדי החברה מותקנת התוכנה PIVOT של חברת TRIMBLE על גבי שרת ייעודי וגם על גבי שרת גיבוי מיוחד למקרי חירום, התכנה מנהלת את כל מקלטי הרשת, מקבלת מהם נתונים לחישוב והזרמת פתרון VRS ונתוני PP עבור משתמשי הקצה. הרשת הזאת קיימת, מתפקדת ומספקת פתרון מדויק במיקום ובגובה .

הצוות שלנו עבר השתלמות מקצועית בניהול רשתות קבועות במרכזי הבקרה של מינכן שבגרמניה ועבר השתלמויות נוספות בארצות הברית על ידי חברת TRIMBLE. הרשת מנוהלת ומבוקרת באופן שוטף ע"י מודדים מוסמכים, הרשת כוללת (נכון להיום) 15 תחנות  GPS קבועות שמשדרות נתונים למרכז בקרה ושליטה שנמצא במשרדינו, שם כל המידע מעובד על ידי התכנה PIVOT שהיא התכנה המובילה בעולם למטרת ניהול רשת תחנות קבועות, התכנה מתאמת את הנתונים המתקבלים, מחשבת פתרון רשת אופטימאלי ומספקת ללקוחות את תיקוני המקום שהם נזקקים להם על מנת לעבוד ברמת דיוק הנדסית.

עיקר השימושים ברשת תחנות הקבע :

• מדידות :טופוגרפיה, מצביות, קדסטר (דו מימדי, תלת מימדי)
•  מיפוי וממ"ג (יבשתי, ימי)
•  ענף הבנייה (מפעלים הנדסיים)
•  ניטור תזוזות
•  מחקר האטמוספרה ומזג האוויר (TEC, IPWV)
•  חיזוי של סערות שמש ורעידות אדמה
•  חקלאות מדויקת
•  ניהול צי רכב\סוכנים בשטח
•  מעקב אחרי נכסים לפי מיקום

יתרונות השימוש ברשת VRS - VIRTUAL REFERENCE STATION:

1. הרשת נבנתה וחושבה תוך שימוש ברשת הגיאודטית הרשמית של מדינת ישראל לפי הנחיות המשרד למיפוי ישראל (מפ"י), בנוסף לכך מבצעת החברה מדידות מעקב (ראה דו"ח ביקורת של חודש אוקטובר האחרון) בהתבסס על נקודות מאושרות של מפ"י על מנת לאמת את אמינות ודיוק פתרון הרשת. נכון לעכשיו כל הבדיקות שבוצעו היו במסגרת הסטייה המותרת של מפ"י מערך ידוע של נקודת בקרה.
2. דיוק הרשת האחיד עבור מרבית שטחי המדידה מאפשר לבצע פרויקטים בכל גודל תחת אכיפה של דיוק הנדסי של ס"מ בודדים.
3. עבור מהנדסים ומתכננים, הרשת היא פתרון אידיאלי למניעת טעויות הנובעות משימוש במספר מערכות קואורדינאטות שונות שגורמות לשגיאות והתנגשויות בין תוכניות שמתקבלות ממקורות שונים ובסופו של דבר גורמות לשגיאות בביצוע הפרויקט בשטח.
4. מכשיר GPS אחד (רובר) מספיק לעבודת קבוצת מדידות (במקום 2 מכשירים, חסכון ויתרון כלכלי).
5. קיים חומר חישוב לאחור -  POST PROCESSING לצרכי חישובים מדויקים ברמת מ"מ.
6. יכולת עבודה דרך מרבית מכשירי ה GPS בשוק.
7. עבודה מול כל מערכות הלוויינים ....l2c,l5,Galileo,GPS,Glonass  ונכונות לעבודה עם מערכות עתידיות.
8. דיוק הרשת מאפשר את שימושה לרוב עבודות המדידות וה GIS.

השימוש ברשת תחנות הקבע של חברת NAVSTAR בשילוב מכשירי GPS ומכשירי מדידה מאפשר :

• מדידות טופוגרפיות ומצב קיים .
• התוויה לביצוע – מבנים , כבישים, מפעלים הנדסיים מדויקים
• הקמה ובקרה על רשת בקרה גיאודטית בעזרת מכשירי TOTAL STATIONו\או GPS.
• מדידות אוטומטיות וידניות לצרכי מעקב, ניטור תזוזות ובקרה מדויקת (עד רמה של פחות מ 1 מ"מ) של מבנים, מפעלים הנדסיים, מנהרות, חפירות לעומק וכל פרויקט אחר שמחייב דיוק ברמה מאוד גבוהה, כאלה שקיימים או בבנייה.
• מדידות חזיתות מבנים לצרכי שימור, שיפוץ או כל צורך אחר (יצירת מודל תלת ממדי כולל צילומים).
• סריקות לייזר לבניית מודלים תלת ממדים (כולל צילום תמונות), חישוב כמויות וצרכי ניטור בדיוק והמהירות הכי גבוה מהמוצעות בשוק היום.
• פתרונות עבור מערכות GIS החל מבתי עסק קטנים ועד תאגידים וחברות.

ע"י קביעת נקודות בקרה בשימוש ברשת תחנות קבע GPS ניתן לבצע את כל העבודות הנ"ל במערכת קואורדינאטות ארצית אחידה ובכך נמנע הצורך בעבודה במספר מערכות קואורדינאטות שונות (כפי שמתקבלת מכל מכשיר מדידה אחר) ובכך נמנע הצורך בהתמרות וחישובים מיותרים של מעבר בין מערכות קואורדינאטות שונות. ההמלצה שלנו עבור מהנדסים ומתכננים שעוסקים במפות (תוכניות) לצרוך ביצוע ומקבלים חומר מיפוי מגורמים שונים היא לדרוש את ביצוע עבודות המיפוי, התכנון והביצוע במערכת קואורדינאטות ארצית אחידה (מערכת רשמית של מפ"י) ובכך למנוע טעויות שנגרמות משימוש שגוי של מספר מערכות קואורדינאטות שונות ולחסוך הרבה זמן וכמובן כסף. רמת הדיוק של כל תוכנית מדידה נקבעת לפי רמת דיוק נקודות הבקרה שעליהן מבוססת העבודה, במידה והוחלט לבצע שימוש במכשירי GPS, ההמלצה שלנו היא להשתמש ברשת תחנות קבע מדויקת על מנת להבטיח את רמת הדיוק המרבית בכל תכנית שמפיקים בשלבי הפרויקט השונים.

ציוד הרשת

הציוד שנחבר לשימוש בבניית הרשת הינו הציוד הכי מתקדם מבית היצרן Trimble. כל ציוד הקצה עודכן לגרסת קושחה הכי עדכנית לפני התקנתו, נבדק במעבדת החברה לתפקוד תקין ורק אז נשלח להתקנה בשטח. הרסיבר שנבחר להתקנה בתחנות הינו TRIMBLE NET-R9 שמסוגל לעבד כל הסיגנלים שמשודרים היום ואלה שעתידים להתווסף בעתיד הקרוב. האנטנה שנבחרה היא "Trimble Zephyer Geodetic II".

מבנה הרשת

בנוסף לרסיבר ה GPS והאנטנה, בכל תחנה הותקן מודם תקשורת מתקדם בעל יכולת עבודה מול שתי רשתות תקשורת לצורך גיבוי, במקרה ונוצר כשל באחת מרשתות התקשורת המודם עובר להתקשרות דרך הרשת החלופית בצורה אוטומטית ובכך ניתן להשיג זמן פעולה מרבי אפילו כאשר ישנן תקלות תקשורת. על מנת להשיג רמת גיבוי מריבת, הותקן בכל תחנה מכשיר אל-פסק שמיועד להגן על הרסיבר והמודם מפני הפרעות אפשריות באספקת המתח החשמלי. בקונפיגורציה הזו החברה מסוגלת להשיג אחוז גבוה מאוד של זמן פעולה תקין בתחנות, בבדיקות שערכה החברה לצורך בקרת איכות נמצא כי בממוצע במהלך חודש ימים מגיעה המערכת לזמן פעולה מעל  97%. ראוי לציין שמהלך חודשי הקיץ זמני הפעולה הם גבוהים יותר מאחר ואין שיבושים בחשמל ובתקשורת עקב מזג אוויר קשה.

דיאגראמה של מבנה תחנה טיפוסי

תמונות של תחנה פעילה מהשטח

זמן פעולה של רשת ה VRS

על מנת לתת למשתמשים את חופש בחירת הרשת הסלולארית שבה הם משתמשים בכדי לקבל את התיקונים מרשת ה VRS, הוחלט להשתמש בנקודת גישה באינטרנט שהיא נגישה מכל רשת אינטרנטית. התקשורת בין התחנות לבין שרתי הרשת בוצעה דרך רשת האינטרנט אולם בוצע שימוש בתנאי אבטחה קשים במיוחד שסופקו על ידי חברת בזק וחברת האבטחה העולמית CheckPoint. כל התחנות הקבועות של הרשת משדרות את הנתונים שלהן אל שרת מרכזי ושרת גיבוי, בנוסף לכך בין השרת המרכזי ושרת הגיבוי מתבצע סנכרון מלא בזמן אמת. במקרא של נפילה בקו התקשורת בין תחנה לשרת, תכנת הרשת משחזרת את הנתונים שחסרים לה בגלל הנפילה מתוך יחידת האחסון המקומית של רסיבר ה GPS, במקרה כזה ניתן להימנע מקטעי זמן חסרי נותנים במאגר הרשת לצרכי עיבוד לאחור, הבטחת איכות וצרכים אחרים.

דיאגראמה של מערך תחנות הקבע של החברה

מיקום התחנות הקיימות ברשת שהחברה הקימה חושב בהתבסס על נקודות קבועות בעלות דירוג מאוד גבוה (רשת התחנות הקבועות של מפ"י) ברשת הבקרה הגיאודטית הארצית הרשמית של מדינת ישראל. כל תחנה חדשה חושבה בשתי מערכות מדידה כאשר בכל מערכה העיבוד התבצע אל לפחות 2 תחנות קבועות מרשת מפ"י. כל מערכת מדידה מכילה 24 שעות של נתונים רצופים, כלומר כ 86,400 אפוקים בכל תחנה. אורך הווקטורים ברשת הבנויה נחשב לאורך אופטימאלי (55 ק"מ בממוצע), ויחסית לרשתות אחרות בעולם הארוך הזה נחשב לקצר. דיוק פתרון הווקטורים בין תחנות הרשת הקבועות שהתקבל הינו מסדר גודל של 2 עד 3 מ"מ בממד האופקי והאנכי. לאחר טעינת ערכי הקואורדינאטות הידועים אל המערכת, מבוצע חישוב post processing על בסיס יומי של מערכת מדידה בת 12 שעות בין תחנות הרשת. בנוסף לחישוב היומי התכנה מחשבת את הסטייה בין הערך הידוע לבין הערך המחושב של מיקום התחנה בכל רגע, בזמן אמת, ומציגה את השגיאות המתקבלות עבור מיקום כל תחנה כתוצאה מהסטייה המרחבית הרגעית של מרכיבי הווקטור.

סיכום

חברת נאבסטאר ראתה בבניית רשת תחנות קבועות ואספקת שירות תיקוני מקום עבור מודדים ואנשי מקצוע אחרים כאחריות מקצועית ולאומית. במסגרת בניית הרשת נבחנו הפתרונות הקיימים בשוק ומספר חלופות הוצעו ונשקלו. האתגרים, ההחלטות שהתקבלו הוצגו בעבודה זו. אחרי ניתוח תוצאות מבחן הביצועים שהחברה עשתה ניתן להסיק שהפתרון איכותי ברמה גיאודטית הנדסית. איכות הפתרון שהצליחה החברה לספק הוא תוצאה של ניצול הטכנולוגיות המתקדמות ביותר בשוק תוך כדי הקפדה על יישום פתרון באיכות גבוהה ביותר. במסגרת הבדיקות שהחברה עושה, נבדקו מספר יישומים של השימוש ברשת כגון מדידות במפעלים הנדסיים, קדסטר, מיפוי כללי, מיפוי לצרכי GIS, תחנות ייחוס לצרכי חישוב לאחור Post Processing, ניטור ומעקב אחרי תזוזות, ניתוח שינויי מזג האוויר (קרקעי וחללי) ועוד. כל הבדיקות הנ"ל בוצעו לפי ההנחיות ותקנות המודדים של מפ"י. אחרי שנה של פעילות, תגובות משתמשי הרשת מעידות על הצלחת החברה בהתגברות על האתגרים הטיפוסיים ברשת:

1. מתן כיסוי רשת VRSבמקומות שלפני כן לא היה בהם כיסוי טוב

2. פחות ניתוקים מול רשת ה VRS

3. אמינות גבהה בחזרה על אותן מדידות בתקופות זמן שונות

4. שימוש בכלים מתקדמים למתן הערכה ואפשרות תכנון מראש לדיוק שניתן לצפות בעבודה בשטח

5. שירות שבעה ימים בשבוע על ידי מודדים מוסמכים במרכז הבקרה

6. שירות צפייה בנתוני יונוספרה, ערכי TEC וערכים אחרים דרך אפליקציה מיודעת לטלפונים ומחשבים ניידים בזמן אמת בשטח, כך שהמודד בשטח יכול לקבל אינדיקציה בזמן אמת על ערכים אלו שעלולים להשפיע על הדיוק שלו , אפלקצייה זו היא ייחודית  לחברת TRIMBLE  .

השימוש ברשת תחנות קבע מדויקת בפרויקטים הנדסיים מאפשר שמירה על רמת דיוק גבוה מאוד, מקצר ומבטל את תהליך ההתמרה בין מערכות ייחוס שונות ובכך מאפשר מניעת טעויות בתהליך התכנון והביצוע עקב שימוש במספר מערכות קואורדינאטות שונות. ביסוס תוכנית מיפוי על נקודות בקרה מדויקות מאפשר גם הוא לשמור על רמת דיוק מרבית בכל שלבי הפרויקט, החל ממדידות לצרוך תכנון ועד למדידות AS-MADE בסיום ביצוע הפרויקט.

מפה של תחנות רשת NavStar