Precise Point Positioning

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

PPP (англ. Precise Point Positioning — дословно «позиционирование высокой точности») — метод получения высокоточных координат (в плане и по высоте) местности сантиметровой точности с помощью глобальный навигационных спутниковых систем (ГНСС) посредством получения поправок к эфемеридам орбит и бортовым часам всех видимых НКА от сетевого источника поправок.

В русскоязычной литературе встречается как Высокоточное местоопределение или Высокоточное местоопределение в абсолютном режиме[1].

PPP является одним из методов DGPS и разработан в компанией NovAtel(Канада) в 2005г как альтернативный метод корректировки координат в системе WGS-84. Метод не требует от непосредственного исполнителя наличия базовой станции (опорного приемника) и/или сигнала со спутников систем дифференциальной коррекции.[2][3].

Принцип работы[править | править код]

Принцип работы основан на разности фаз несущих частот L1 и L2 и ЭВИ (Эфемеридно-временная информация) таким образом PPP опирается на два общих источника информации: прямые наблюдения ЭВИ[4][5].

Метод PPP отличается от относительного метода спутниковых определений тем, что поправки вносятся в параметры орбит и часов, а не в измерения фаз несущих радиосигналов спутников ГНСС. Он схож с абсолютным методом определений[6].

Фазовые данные - это данные, которые приемник получает самостоятельно. Одним из прямых наблюдений для приёмника является "фаза несущей", т. е. не только сообщение синхронизации, закодированное в сигнале GNSS, но и то, идет ли волна этого сигнала "вверх" или "вниз" в данный момент. Фазы можно рассматривать как цифры после десятичной точки в количестве волн между данным спутником GNSS и приемником. Само по себе измерение фазы не может дать даже приблизительное положение, но как только другие методы сузили оценку положения до диаметра, соответствующего одной длине волны (примерно 20 см), информация о фазе может уточнить оценку.

Еще одним важным прямым наблюдением является "дифференциальная задержка" между сигналами GNSS разных частот L1 и L2. Поскольку основным источником ошибки определения положения спутника является ионосферная погрешность. Сигналы разных частот замедляются в ионосфере на разные величины. Измеряя разницу в задержках между сигналами разных частот, программное обеспечение приемника (или более поздняя постобработка) может моделировать и удалять задержку (вводит поправку) на любой частоте.

ЭВИ (эфемеридно-временная информация) - информация содержащей поправки к эфемеридам и времени бортовых часов навигационных спутников,вычисляется по результатам спутниковых наблюдений, выполняемых наземными постоянно-действующими станциями приема сигналов ГНСС с точно известными координатами [5].

Эфемеридная информация - это точные координаты спутников на орбите. Наблюдения (мониторинг спутниковой группировки) выполненные IGS и другими государственными и частными организациями с глобальными сетями наземных станций. Спутниковая навигация работает по принципу, что положения спутников в любой момент времени известны, но на практике это не так: микрометеориты, изменение давления солнечной радиации и т.д. влияют на траекторию полета. Соответственно орбиты не являются полностью предсказуемыми. Эфемериды, транслируемые спутниками, в сущности являются ранними прогнозами. Фактические же наблюдения за тем, где находились спутники, могут колебаться на несколько метров в течение нескольких часов. Таким образом можно вычислить погрешность фактического и ожидаемого местоположения ИСЗ и ввести поправку на туже величину.

Временная информации - содержит данные о задержке часов спутника.

Если упрощенно, ЭВИ и последующие ее использование, представляет собой решение обратной пространственной засечки, но с лучшей точностью координат исходных пунктов (в данном случае эфемерид) и приведенной временной шкалой (что позволяет более точно вычислить псевдодальности)[7].

Информация об ЭВИ в виде отдельных файлов формируют в международных сервисных центрах обработки данных ГНСС наблюдений и предоставляют пользователям из различных стран через специализированные Интернет-ресурсы (SOPAC — Scripps Orbit and Permanent Array Centre и IGS). Файл несет в себе точные значения эфемерид и поправок часов спутников, информация о задержке спутникового сигнала в ионосфере и тропосфере и пр.[2]. Продолжительность спутниковых наблюдений на точке, должна составлять не менее получаса в противном случае пост обработка сырых данных и файла поправки не возможна.

Файлы эфемерид и поправок к часам навигационных спутников собранные более чем с 400 станций и предоставленные через сетевой сервис могут иметь вид:

— Ожидаемые (Predicted), по которым возможна обработка результатов измерений методом PPP в режиме реального времени;

— Быстрыми (Rapid), доступными через промежуток от нескольких часов до двух суток (пост обработка результатов измерений);

— Окончательными (Final), доступными через 2–3 недели (пост обработка результатов измерений). [3].

Для определения координат местоположения методом PPP достаточно наличие данных с нескольких станций, расположенных глобально, на взаимном расстоянии 1000-2000 км[6].

Сравнение с другими методами DGPS[править | править код]

Метод PPP часто путают с относительными (квазидифференциальными) методами космической геодезии (статика, кинематика, stop & go и особенно RTK) в виду того, что состав исходной информации тот же, что и в относительных методах: эфемериды и бортовая шкала времени. В отличие от PPP, RTK не предполагает постобработку и не требует знание точных поправок спутниковых орбит и бортовых часов, он использует фазовые измерения в режиме реального времени. В РРР-методе вся информация о поправках является апостериорной, то есть она получается в результате наблюдения спутниковой группировки одним или сетью опорных GNSS приемников с известными координатами и реализуются службой точного позиционирования.

Так же метод PPP существенно отличается, от систем типа SВAS, как охватом, покрываемой территорией, так и методом передачи поправок. В методе типа SBAS ошибки дифференцируют с помощью одной или нескольких наземных базовых станций с точно известными позициями (географическими координатами в глобальной системе WGS84, ПЗ-90 и т. д.) и передают (ретранслируют) через спутники связи, в отличие от PPP, в котором информация о поправках локализуется на сервере и передается через наземный канал связи (линии ВОЛС или GSM). Метод PPP так же как и Cистем типа SВAS не предусматривает региональный охват плоских систем координат (МСК-СРФ).

Основным отличием PPP от кинематики реального времени (RTK) заключается в том, что PPP не требует доступа к данным наблюдений из одного или нескольких близко размещаемых базовых станций, и тем, что в PPP реализуется псевдоабсолютное позиционирование вместо относительного определения от опорной станции в RТК. Что отличает метод PPP от, эксклюзивных (локальных) решений RTK, в котором источником поправок служить другой (опорный) приемник, каналом связи — радиомодем, а системы координат как правило плоская региональная и/или условная, ограниченная мощностью радиомодема в радиусе 2-3 км.

Причиной путаницы как правило является схожесть методов передачи поправок в новых методах позиционирования основанных на методе кинематики реального времени (RTK) в которых источником поправок служит доступный локально сетевой сервис, каналом связи (передачи поправок) служат те же сети формата GSM (мобильный интернет через сим-карту), а так же наличие базовых референцстанций размещенных достаточно плотно (через каждые 50 км). Что обусловлено охватом общей плеяды спутников радиусом 20-30 км. Для PPP метода плотность базовых станций гораздо меньше и составляет 12 станций на всю территорию России. Методическая дальность приема поправок PPP-метода практически не ограниченна. Эффективность метода при использовании одно-частотного приемника значительно (на порядок) ниже, но в интересах снижения стоимости конечного оборудования рассматривается для практического применения. Устранение тропосферной погрешности осуществляется по модели, ионосферных погрешностей за счет двух-частотного приема[8].


способ PPP SBAS RTK Сетевое RTK (RTK Networks) Real-Time PPP
Охват Глобальный Глобальный Локальный (2 км от базовой станции) Региональный (20-30 км от базовой станции) Глобальный
Способ передачи поправок Сформированный файл поправок Радиосигнал Радиосигнал GSM GSM/Радиосигнал
Источник поправок Глобальный Сервер Спутник Связи опорный приемник с Радио модемом Локальный Сервер Глобальный Сервер/Спутник Связи
система координат только WGS84 (географическая гр. мин. сек) ПЗ-90, WGS84, и т. д. (географическая гр. мин. сек) условная (прямоугольная метрическая) МСК-РФ (прямоугольная метрическая) только WGS84 (географическая гр. мин. сек)
сбор информации сеть опорных приемников наземный сегмент GNSS опорный приемник (1 базовая станция) сеть базовых референцных станций сеть опорных приемников
Оператор Частная компания Государство (в лице Министерства обороны) Частное лицо Частная компания Частная компания
Информация ЭВИ Фазовая фазовая фазовая ЭВИ

Моделирование[править | править код]

Моделирование: тропосферная задержка корректируется с использованием модели UNB, разработанной Университетом Нью-Брансуика. Однако большая часть тропосферной задержки сильно варьируется и не может быть смоделирована с достаточной точностью. Моделирование также используется в приемнике PPP для коррекции волновых эффектов[9].

Виды PPP[править | править код]

В настоящее время известно о реализации метода PPP без разрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений (Float PPP), с разрешением целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений (PPP-AR или Interger PPP), с использованием дополнительных атмосферных коррекций в пределах локальной области (PPP-RTK) и режим реального времени с уточненными эфемеридами и моделью ухода шкалы часов (RT-PPP)[6].

PPP (Float PPP) — Стандартный метод высокоточного абсолютного определения местоположения. Точность местоопределения 1-3 см доступна после 6-12 часов наблюдения и последующей обработки измерений. При этом финальная ЭВИ от Международной ГНСС службы (InternationalGNSSService, IGS), обеспечивающая указанную точность, доступна только через 2 недели после проведения измерений. Такое время ожидания является неприемлемым для ряда практических приложений[1].

PPP-AR (Integer PPP) или Метод высокоточного абсолютного определения местоположения с разрешением целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений[10]. В сущности своей является сочетанием методов PPP и PPK. Точность измерений с использованием одной системы ГНСС составляет в плановом плановом положении 7-10 мм и 33 мм в высотном для PPP и 5 - 6 мм в плановом и 28 мм в высотном для PPP-AR. [11]. Указанная точность, доступна только через 2 недели после проведения измерений. При Этом точности достигаемые методом PPK варьируются от 0.01 m +/-0.5 ppm мм в плане до 0.02 m +/-1.0 ppm по высоте при максимальном радиусе охвата PPK, 25 -30 км от базы[12].

PPP-RTK — Метод высокоточного абсолютного определения местоположения с разрешением целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений и использованием атмосферных коррекций в пределах локальной области[10].RTK и PPP дополняют друг друга Кинематика в реальном времени позволяет получить поправки к разрешением целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений а PPP к эфемеридно-временной информации. Реализуется через поток поправок в формате RTCM-SSR (State Space Representation). Ситуация с точностью такая же как в методе PPP-AR (Integer PPP). Горизонтальное улучшение PPP-RTK по сравнению с решением PPP составляет от 6% до 27% по горизонтали и от 2% до 8% по вертикали[13].

RT-PPP (Real Time PPP) - метод использует потоки ЭВИ для применения в режиме реального времени того же типа коррекции, что и при пост обработке. Для работы в режиме Real Time PPP, требуется наличие источника корректирующей информации в специальном формате. Источником могут являться платные сервисы (RTX, TerraStar и др.) и/или опубликованные проекты: APPS, службы автоматического точного позиционирования NASA и Лаборатории реактивного движения [7]PPP расширяет зону действия ровера до расстояния в 1000-2000 км от ближайших корректирующих станций при сохранении точности 4 - 40 см (40 см при инициализации <5 минут далее точность только возрастает и становится менее 10 см в течение 20 - 40 минут [6]. В случае службы TerraStar с генерированные поправки передаются для конечных пользователей с помощью телекоммуникационных спутников Inmarsat[14].

Следует отметить, что пока не определен стандарт Real-Time PPP , однако усилия по стандартизации предпринимаются Radio Technical Comission for Maritime Services (RTCM) Special committee 104.[15]

Референцный метод[править | править код]

Параллельно с методом PPP развивался метод Post Processing Kinematic.

Сервисы[править | править код]

Сервис по предоставлению (КИ) корректирующей информации, как правило состоят из сети рассредоточенных наземных наблюдающих станций, ведущих непрерывные наблюдения и прием сигналов спутников ГНСС, вычислительных центров по обработке спутниковой информации и каналов связи для КИ потребителям. На основе метода PPP в мире уже создано множество научных и коммерческих сервисов, таких как MADOCA, Magic GNSS, CNES PPP-Wizard Project, VERIPOS Apex, NavCom Star Fire, Trimble RTX, реализованные зарубежными компаниями FUGRO, NavCom, Trimble, TerraStar, Leica, NovAtel, и космическими агентствами JAXA(Япония). Корректирующая информация доводится до потребителя с помощью спутников связи, как правило геостационарных, передающих информацию в L-диапазоне (1525-1560 МГц) и по сети Интернет. Общая задержка поступления ЭВИ составляет 15-20 секунд, точность эфемерид находится на уровне средних квадратических ошибок 5-7 см, поправок часов – 5 нс[6].

Применение[править | править код]

Мониторинг и определение (переопределение) координат базовых станций наземного и космического сегментов [16].

Фиксация геологических и геофизических выработок в труднодоступных районах[3].

Введение поправок при Квазидифференциальных измерениях.

РРР-сервисы также применяются на шельфовых съемках, для мониторинга морских платформ при добыче полезных ископаемых, для управления тракторами и комбайнами в сельском хозяйстве[6].

Точное позиционирование все чаще используется в таких областях, как робототехника, автономная навигация, сельское хозяйство, строительство и добыча полезных ископаемых.

В перспективе может быть использовано при уточнение местоположения в Глобальных поисково-информационных картографических службах таких как Яндекс.Карты и прочие. А также в автомобильных навигаторах (что позволит избежать позиционирования "на другой стороне улицы").

Преимущества[править | править код]

  • PPP доступен при работе одним ГНСС-приемником, без базовых станций в непосредственной близости от пользователя.
  • PPP обеспечивает гораздо большую согласованность позиционирования, чем относительные методы коррекции с использованием базовой станции.
  • PPP уменьшает стоимость и упрощает оперативную логистику полевых работ.
  • Пока не требуется инициализация для получения поправок PPP (в перспективе возможна будет только при наличии договора с организацией эксплуатирующей сеть базовых станций).

Недостатки[править | править код]

Основные недостатки PPP, по сравнению с традиционными методами GNSS, заключаются в том, что он требует большей вычислительной мощности, требует внешнего потока коррекции эфемерид и требует некоторого времени для достижения полной точности. Это делает его относительно непривлекательным для применения в сфере отслеживание флота и авиации, где субсантиметровая точность не востребована, а в случае ЧС, счет идет на секунды. Для всех методов DGPS Действует правило чем больше удаление от базовой станции, тем больше погрешность.[7].

  • Требуется целочисленное разрешение фазовой неоднозначности.
  • Стоимость двухчастотного оборудования пока высокая.
  • Ограничивается глобальными системами координат
  • Большой объем обрабатываемой информации приводит к задержке получения файлов
  • Достоверность информации вызывает сомнения, так как метод нарушает основной принцип классической геодезии "от общего к частному" и работает по принципу "от частного к общему" - вносит поправки в исходные данные. Так подобные методы еще в конце 1950-х годов ВМА (Военно-Морской Академией) и Пулковской обсерваторией были поставлены под сомнение и не признаются геодезическим научным сообществом России вплоть до н.в. - МИИГАиКом, ЦНИИГАиКом и НИИГАиКом.[17][18][17][19][20].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 http://trudymai.ru/upload/iblock/46f/vysokotochnoe-mestoopredelenie-v-absolyutnom-rezhime-v-gnss-s-ispolzovaniem-razresheniya-tselochislennoy-neodnoznachnosti-psevdofazovykh-izmereniy.pdf
  2. 1 2 http://www.gpscom.ru/files/publication/ppp_geoprofi_2_20102.pdf
  3. 1 2 3 Исследования точности метода PPP для навигационно-геодезического обеспечения геофизических работ - Технологии / Публикации / Главная. GEOPROFI.RU Электронный журнал по геодези...
  4. Hofmann-Wellenhof, B.,. GNSS--global navigation satellite systems : GPS, GLONASS, Galileo, and more (англ.). — Wien. — ISBN 9783211730171.
  5. 1 2 {https://gnss-expert.ru/?page_id=268
  6. 1 2 3 4 5 6 Метод PPP (Precise Point Positioning) — GNSS EXPERT
  7. 1 2 3 Тест режима PPP-RTK
  8. GNSS Data Post-Processing | NovAtel
  9. Precise Point Positioning (PPP) | NovAtel
  10. 1 2 Методы спутниковых определений — GNSS EXPERT
  11. Galileo millimeter-level kinematic precise point positioning with ambiguity resolution | Earth, Planets and Space | Full Text
  12. https://www.navcomtech.com/navcom_en_US/docs/download_center/application_notes/current/an_NetworkRTK_Performances_rev_a.pdf
  13. Precise Point Positioning from Combined GNSS | GIM International
  14. Precise Point Positioning (PPP) | NovAtel
  15. PPP Systems - Navipedia
  16. a6e5223fbf52c6ae923ec7ec17dc7191.pdf
  17. 1 2 Космическая навигация
  18. Первая отечественная спутниковая радионавигационная система
  19. К.М. Антонович. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ГЕОДЕЗИИ. — Москва: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. — Т. 1,2.
  20. Генике А.А. Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. — Москва: ФГУП «Картгеоцентр», 2004. — 352 с.