RTK GPS в Геодезии

Ричард Лэнгли (Richard B. Langley), University of New Brunswick
Введение
 
Впервые концепция использования глобальной спутниковой системы позиционирования была разработана в начале 70-х годов. С тех пор были разработаны многочисленные приложения для использования GPS системы. Одной из самых передовых технологий является RTK (кинематика в реальном времени) - способ, обеспечивающий сантиметровую точность координат в реальном времени. В данной статье речь пойдет главным образом о важнейшем компоненте RTK GPS - передаче поправок по радио.
 
В последние 15 лет технологии использования GPS в навигации и геодезии постоянно развивались. Сейчас намечается явная тенденция к сближению технологий использования GPS. Рассмотрим основные требования двух приложений.
 
Привязка к точности
 
В геодезии, как правило, нас интересует определение одного или нескольких фиксированных пунктов, которые обычно закрепляются на местности, постоянно или временно. Обычно координаты новых пунктов вычисляются относительным методом, т. е. вычисляется их положения относительно одного или нескольких известных пунктов. Получаемая точность главным образом зависит от расстояний между пунктами и может колебаться от миллиметров (в случае очень коротких расстояний) до десятков сантиметров (при расстояниях в сотни километров и более).
 
Во многих случаях, нет необходимости в определении координат пунктов в реальном времени, при этом точные координаты получаются после процедуры постобработки. Однако, некоторые геодезические задачи, например, выполнение работ по выносу в натуру требуют проведение измерений в реальном времени.
 
В навигации, необходимо знать текущее местоположение и направление движения, обычно в реальном времени. Весьма любопытно определение навигации, данное в книге "American Practical Navigator", впервые изданной в 19 веке. Оно звучит следующим образом: "Навигация - это процесс управления движением транспортным средством, быстрый и безопасный, из одной точки в другую.
 
Несмотря на то, что первоначально термин навигация относился к управлению морскими судами (слово навигация пришло от латинского слово navis, означающее корабль и agere - управлять, передвигать), этот термин применим к любому виду транспортного средства. Для передвижения транспортного средства из одной точки в другую необходимо знать координаты этих точек и расстояние между ними. Другой вспомогательной информацией является скорость перемещения объекта.
 
Требуемая точность (или другими словами, уровень приемлемости ошибки) существенным образом зависит от типа и места проведения работ. Например, для безопасного управления судами в открытом океане, необходимая точность местоопределения может составлять несколько километров, в то время как при работах в прибрежных водах - 2-5 м.
 
Похожие требования к точности и для воздушных судов. При нахождении самолета над Атлантическим океаном требуемая точность определения его высоты составляет около 100 м, а при посадке - точнее 0.6 м.
 
Измерения по фазе несущей
 
Относительно недавно, была разработана новая технология определения местоположения, позволяющая специалистам работающим в геодезии и навигации получать более высокую точность. Метод RTK использует дифференциальные GPS измерения по фазе несущей, обеспечивая сантиметровый уровень точности в реальном времени.
 
Измерения по фазе несущей - наиболее точный метод измерения псевдодальностей. Колебания фазы несущей имеют постоянную частоту в отличие от регистрируемых на GPS приёмнике вследствие эффекта Доплера (некоторый "сдвиг" образуется за счёт прохождения сигналом расстояния от спутника до приёмника). Таким образом измеряемая фаза несущей между спутником и фазовым центром антенны приемника будет состоять из целого числа фазовых циклов и дробной части. К сожалению GPS приёмник не имеет возможности различать между собой циклы несущей. Он может измерить дробную часть фазы, а затем отслеживать её изменение: начальная фаза является неопределенной. Для того, чтобы использовать текущую фазу для измерения псевдодальностей, это неизвестное число циклов или неоднозначность должна быть вычислена наряду с координатами приёмника.
 
Если мы заменим измеренную фазу несущей в циклах эквивалентными единицами расстояния, используя при этом длину волны, легко видеть, что уравнение наблюдений несущей фазы практически идентично уравнению для псевдодальностей. Основное различие (помимо противоположного знака ионосферной поправки) состоит в добавлении поправки за неоднозначность.
 
Постобработка
 
Для точного определения местоположения фазовые измерения одного приёмника комбинируются с данными другого приёмника с целью образования т.к. называемых двойных разностей, в которых ошибка несинхронности часов приёмника и спутника сводится к минимуму. Далее после процедуры фильтрации при помощи двойных разностей вычисляются координаты одного приёмника (или, что более корректно, фазового центра антенны) относительно другого. Если координаты одного приёмника известны в некоторой местной системе координат, например его устанавливают на пункте геодезической сети, то координаты второго приёмника тоже получают в этой же системе координат.
 
Первое применение измерений на несущей фазе для точного статического позиционирования было выполнено в начале 1980-х годов. Для достижения требуемой точности требовалось выполнять непрерывные измерения в течение весьма продолжительного промежутка времени. Главным образом, это было связано с небольшим количеством спутников. Увеличение созвездия спутников и более точное моделирование их орбит позволило постепенно сокращать время наблюдений.
 
Попытки сделать GPS съёмку более эффективной привели к созданию новых методов измерений, таких как Быстрая статика, Псевдокинематика, Кинематика Stop&Go.
 
Измерения в реальном времени
 
Первоначально, во всех методиках съёмки данные записывались в приёмник для последующей постобработки. Координаты, полученные передвижным приёмником не имели достаточной точности для проведения совместной обработки с данными базовой станции. Однако многие приложения требовали получения точных координат непосредственно во время проведения полевых измерений. Для этого необходима радиосвязь между базовым и передвижным приёмниками. Несмотря на то, что метод DGPS широко применялся с середины 80-х годов, этот способ не мог обеспечить требуемую точность. Главным образом - это было связано с тем, что в технологии DGPS использовались измерения псевдодальностей, а не измерения по фазе несущей. Наивысшая плановая точность при использовании этого метода не превышала 1 м. В DGPS методе осуществлялась передача поправок псевдодальностей от базовой станции пользователям передвижных приёмников для получения уточненных значений псевдодальностей.
 
Формат передачи сообщений поправок
 
В 1985 г. морская радиотехническая комиссия (RTCM) предложила стандартный формат для кодирования и передачи подобных поправок. Несмотря на наличие других, схожих форматов, формат RTCM получил наиболее широкое распространение.
 
Проведенные в начале 90-х годов исследования доказали возможность повышения точности DGPS метода. Передача данных по фазе несущей позволила пользователям GPS приёмников получать высокоточное позиционирование в реальном времени даже во время движения передвижного приёмника. Со временем этот метод получил название "Кинематика в реальном времени" или RTK.
 
Специальный комитет 104 RTCM, который являлся разработчиком формата поправок DGPS, добавил 4 новых типа сообщений для версии 2.1 (опубликованной в январе 1994 года) для поддержки требований RTK. Они состоят из двух пар сообщений. Сообщения 18 и 19 состоят из "сырых" измерений фазы несущей и псевдодальностей, переданных базовой станцией. Сообщения 20 и 21 состоят из поправок, относящихся к эфемеридам. Сообщения этих типов включают поправки за несинхронность шкал времени, но не включают ионосферные и тропосферные поправки. Другими словами, сообщение 21 для коррекции псевдодальностей сходно с сообщениями 1 или 9 для DGPS, но при этом имеет дополнительную информацию для поддержки двухчастотных приёмников.
 
В январе 1998 года была разработана новая версия формата RTCM - версия 2.2. Основным отличием этого формата от предыдущего является введение дополнительных сообщений 3 и 32 для псевдодальностей GPS и GLONASS.
 
Архитектура системы RTK
 
В состав RTK системы входит базовая и передвижная станции, состоящие из GPS приёмника, антенны, радиомодема и радиоантенны. Можно использовать одинаковые модели GPS приёмников и радиомодемов на базовой и передвижной станциях, однако учитывая, что в большинстве случаев модем на базовой станции используется для передачи данных, а на ровере только для их приёма - это не всегда экономически целесообразно. Использование мощных передающих устройств и недорогих, принимающих только поправки, радиомодемов может быть оптимальным решением. Часто, передающая антенна имеет больший коэффициент усиления, чем принимающая антенна.
 
В некоторых RTK системах GPS приёмник и радиомодем интегрированы вместе. Для достижения наилучших результатов, GPS антенну базовой станции следует размещать в открытом месте, при этом поднимая радиоантенну на максимальную высоту.
 
Передача данных
 
В режиме RTK для передачи поправок используется радиоканал, при этом "возраст" поправок, как правило, не должен превышать 0.5 - 2 секунды, в отличие от кодового дифференциального режима, где поправки могут обновляться каждые 10 секунд.
 
В кодовом DGPS режиме поправки RTCM SC-104 обычно передаются со скоростью 200 бит/c. В RTK скорость передачи данных должна быть не менее 2400 бит/c, хотя скорость 9600 бит/c или 19200 бит/c является более предпочтительной. Для осуществления передачи поправок с подобной скоростью полоса частот должна находится в радио спектре очень высоких частот (VHF) или ультравысоких частот (UHF).
 
В Северной Америке для производства работ в реальном времени лицензированы следующие полосы частот: от 150 до 174 МГц в VHF диапазоне и 450 - 470 МГц в UHF диапазоне. Можно выбрать радиомодем мощностью от 2 до 35 Вт.
 
Дальность распространения
 
Из-за того, что передача данных в RTK передается в UHF и VHF диапазонах, существует ограниченния в её использовании. Дальность радиосвязи – максимальное расстояние между двумя приемопередатчиками, при котором поддерживается стабильная и надежная связь.
 
В УКВ (а это – VHF:136-174 МГц и UHF:400-470 МГц) дальность можно рассчитать по формуле 
 
D≈4,15(√h1+√h2)
 
где h1 b h2 – это высоты, на которых расположены антенны.
 
Из-за небольшого рассеивания УКВ в тропосфере, стабильный радиус действия сети может увеличиваться на 10-15%. Так, для стационарных УКВ приемопередатчиков дальность составляет порядка 10-40 км, а для раций – 1-5 км.
 
Но, более точную цифру можно вывести при учете таких моментов, как:
 
Мощность радиоустройства
Вид антенны, и высота, на которой она закрепляется
Местность, время года и суток, наличие препятствий
Наличие помех в точке приема сигнала
По этим причинам, расчет дальности УКВ радиосвязи осуществляется изучением амплитуды напряженности электромагнитного поля в месте приема.
 
Например, если мы установим передающую антенну на высоту 30 м, а принимающую на 2 м то максимальная дальность распространения радиосигнала составит 28 км. Однако практически достичь такой дальности достаточно сложно. Любые препятствия на пути радиосигнала влияют на длину его распространения. Здания, гребни гор, углы каких-то объектов могут блокировать или переотражать радиосигнал. В ряде случаев, вследствие атмосферных аномалий, дальность распространения радиосигнала может быть больше вычисленной.
 
Расчёт потери мощности сигнала
 
Даже при отсутствии препятствий, радиосигнал после выхода от передающей антенны, согласно закону обратных квадратов, имеет некоторый коэффициент затухания. Этот процесс иногда называют потеря в свободном пространстве . Кроме того, отраженный сигнал попадает в приёмник вместе с "прямым" сигналом, тем самым, искажая его. Таким образом, полная величина потери мощности сигнала зависит от нескольких факторов, включая физические особенности местности, рефракцию, наличие зданий или других объектов.
 
Для детализированного описания окружающей среды весьма сложно точно предсказать величину затухания сигнала. Создано несколько эмпирических моделей, одна из наиболее простой и удобной, была предложена в 1957 году радиоинженером военной инженерной лаборатории Джоном Эгли. Потеря мощности сигнала (dB) рассчитывается по следующей формуле. 
 
где частота f приведена в МГц, высоты антенн ht и hr - в метрах, расстояние d в км.
 
Используя те же высоты, что и в предыдущем примере, при частоте 450 - 470 МГц и расстоянии до 10 км затухание сигнала составит 146 dB. Это означает, что полученный сигнал будет на 146 dB слабее переданного. При использовании ненаправленной антенны и мощности передатчика 2 Вт, приёмная мощность на ненаправленной антенне, расположенной на расстоянии 10 км, уменьшится на 143 dBW.
 
Решения RTK
 
В программе обработки GPS измерений (решение вторых разностей) должны учитываться временные задержки между данными базовой и передвижной станциями. Это не является сколь нибудь серьёзной проблемой для метода постобработки, поскольку все полученные данные всегда доступны в файлах на компьютере. При работе в реальном времени, данные, собранные базовым приёмником, поступают на передвижной приёмник с некоторой задержкой. Эти данные должны быть закодированы, переданы по радио, декодированы и переданы во внутреннее программное обеспечение передвижного приёмника. На выполнение этих процедур требуется некоторый период времени, называемый периодом ожидания. Эта величина зависит от скорости передачи данных и может достигать 2 сек, что в ряде случаев является неприемлемой величиной для некоторых видов кинематической съёмки или навигации.
 
В ситуациях, требуемых минимального периода ожидания, например высокоскоростной навигации или машинного контроля, передвижной приёмник может экстраполировать измерения базовой станции на эпоху собственных текущих измерений. Применение фильтрации позволяет уменьшить ошибки в двойных разностях до сантиметрового уровня при односекундном периоде задержки.
 
Разрешение неоднозначности во время движения передвижного приёмника (метод OTF).
 
Ключевой особенностью RTK является способность разрешения неоднозначности, т.е. определение целого количества циклов, во время движения передвижного приёмника.
 
Для реализации данного принципа используется комбинация фазовых данных L1 и L2. Методика OTF включает в себя фильтр поиска и технологию вычисления неоднозначности по методу наименьших квадратов.
 
Скорость, с которой реализуется этот метод, зависит от ряда факторов, таких как количество отслеживаемых спутников, значения PDOP, величины шумовой составляющей сигналСохранитьа спутников. При благоприятных условиях, разрешение неоднозначности выполняется в течение 10 секунд.
 
Заключение
 
В целом, можно говорить о том, что сейчас технология RTK для целей геодезии вышла на уровень производственных работ и широко используется по всему миру. Несмотря на то, что RTK имеет специфический уровень применения и может рассматриваться лишь как дополнение к традиционным методам GPS съёмки, у технологии видится большое будущее и есть потенциал для дальнейшего развития. (Прим. переводчика, например eRTK)