Real Time Kinematic

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «RTK»)
Перейти к навигации Перейти к поиску

Real Time Kinematic (RTK, в переводе с англ. — «кинематика реального времени»[1]) — совокупность приёмов и методов получения плановых координат и высот точек местности сантиметровой точности с помощью спутниковой системы навигации посредством получения поправок с базовой станции, принимаемых аппаратурой пользователя во время съёмки. Является одним из методов DGPS.

Принцип работы[править | править код]

Радиосигнал со спутника при передаче подвергается различным искажениям. Выделяют три основных причины искажения сигнала: атмосферные неоднородности (ионосферные и тропосферные основные из них), помехи от стационарных и подвижных объектов, а также переотражение сигнала или многолучевость. С помощью GNSS-сигналов можно определить положение приёмника на поверхности Земли с дециметровой точностью. Однако из-за искажений без применения специального оборудования реальная точность позиционирования обычно измеряется в метрах или десятках метров (в зависимости от широты, количества видимых спутников и других условий). Искажения могут быть существенно уменьшены с помощью дополнительной наземной инфраструктуры — систем дифференциальной коррекции.

Для получения поправок используются измерения фаз несущей GNSS-сигналов одновременно на двух GNSS-приёмниках. Координаты одного из приёмников (базового) должны быть точно определены (например, он может быть установлен на пункте государственной геодезической сети); он передает по каналу связи (радиомодем, gsm-модем, интернет и др.) набор данных, называемых поправками. Поправки полученный станцией и спутниковый сигнал обрабатывается ПО в соответствии с программными алгоритмами и накопленной статистикой спутниковых эфемерид. После чего на ровер с базовой станцию передается дифференциальная поправка, уточняющая спутниковый сигнал.

Второй приёмник («ровер») может воспользоваться этими данными для точного определения местоположения (до 1 см в плане (1 cm + 1 ppm) и 2 см по высоте) на расстояниях до 30 км от базового приёмника. Для передачи поправок используются радиомодемы, интернет и так далее. В настоящее время метод RTK используется на частотах L1, L2.[2]

Полевые базовые станции передают сигналы DGPS обычно через УКВ-радиомодем или через операторов сотовой связи. При использовании радиосигналов метрового диапазона холмистая и горная местность обычно не влияет на приём сигнала. Однако сигналы не доходят до глубоких каньонов, расположенных далеко от базовых станции и в сильно залесенной местности. А так же ограничивается наличием вышек сотовой связи, в случае использования GSM-модема.

Формат передачи поправок[править | править код]

RTCM[править | править код]

Поправки могут передаваться в формате RTCM SC-104 (коды сообщений 3, 18-21, 32, 1003—1008[3]), CMR и CMR+, RTCA, ATOM. Требуемая скорость передачи — 2400 бит/с и более, задержка передачи — не более 0.5−2 секунд. Для обычного DGPS достаточно было скоростей 200 бит/с и задержек до 10 сек, для потоков информации в формате SSR требуется гораздо больше.

Начиная с версии 3.0 стандарт RTCM SC-104 включает возможность передачи RTK-поправок для системы ГЛОНАСС.[3]. Версии 2.3 и последующие 3.х не совместимы, поэтому существуют параллельно.

Версии 3.1 поддерживает различные форматы данных базовых станций RTK-Network (VRS, FKP и MAC), а также SSR-сообщения (точные эфемериды и параметры ухода часов).

В версии 3.2 (февраль 2013) добавляется сообщения Множественных Сигналов (Multiple Signal Messages (MSM)). Формат MSM позволяет приемнику использовать все спутниковые системы. Сообщения включают компактные и полные сообщения для псевдодальностей, фазовых измерений, отношения несущей (сигнала) к шуму (стандартное и высокое разрешение), частоту фазовых измерений.

В октябре 2016 года вышла версия RTCM 3.3 (обозначение RTCM 10403.3) в которой к принятым сообщениям для систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и QZSS добавлено BeiDou (BDS), а также объединены все предыдущие дополнения версий 3.х.

Форматы RTCM Традиционно подразделяются на две категории: Observation State Representation (OSR) и State Space Representation (SSR) Эти группы используют различные методы, механизмы доставки и основные технологии для решения одной и той же проблемы[4].

Trimble[править | править код]

Compact Measurement Record (CMR)- достаточно старый формат, он содержит информацию только от спутников GPS L1/L2. Разработан Trimble в 1992, как метод передачи данных кодовой и несущей фазовой коррекции в компактном формате от базовых станций GPS к GPS-роверам для съемки RTK GPS. CMR+ - второе поколение CMR Trimble. Он имеет более компактную структуру сообщений, чем CMR. GPS-часть этого протокола изначально была собственностью Trimble, но позже была открыта и стала широко используемым стандартом.

CMR+ - второе поколение CMR Trimble. Он имеет более компактную структуру сообщений, чем CMR. GPS-часть этого протокола изначально была собственностью Trimble, но позже была открыта и стала широко используемым стандартом.

CMRx представлен в 2009 году компаний, который был разработан для поддержки притерпевших значительные изменения созвездий GNSS. Цель CMRx состояла в том, чтобы улучшить время инициализации, охватить дополнительные созвездия ядра GNSS, иметь дело с новыми сигналами GNSS и улучшить производительность в городских условиях и c "закрытым небом".[5][6][7].

RTX - собственный формат Trimble, которая использует спутники связи для передачи данных коррекции RTK на ровер, а не наземные радиостанции или сотовые сети. Поток данных фактически является данными коррекции CMRх. Улучшенное сжатие данных CMRх чрезвычайно важно для спутниковой системы, поскольку пропускная способность на спутнике довольно дорогая. Как и в случае с CMRх, это доступно только на приемниках Trimble.[8].

RTCA[править | править код]

Technical Commission for Aeronautics (RTCA) - формат разработаный Радиотехническая комиссия по аэронавтике США.

John Deere[править | править код]

NCT - собственный формат данных коррекции компании John Deere. В 1999 году, когда точное сельское хозяйство только начало развиваться, John Deere приобрела производителя GNSS NavCom. Сегодня компания производит приемники как для сельского хозяйства, так и для других отраслей промышленности. Формат является аутентичным и поддерживается только приемники John Deere. [9].

Конфигурации транслирующих источников[править | править код]

Одиночная база RTK

Single Base RTK[править | править код]

Single Base RTK (в переводе с англ. — «Одиночная база RTK») — базовая станция работающая в режиме RTK состоящая из 1 опорного приемника, микропроцессора и радио модема на УКВ. Может быть мобильной для целей геодезии и в редчайших случаях стационарной для целей навигации. Охват ограничивается локальными территориями до 40 км, от одиночной станции. По мере увеличения расстояния от базы — уменьшенная способность разрешать неоднозначности, что влияет на точность положения ровера. Точность достигает в плане: 0.01 m +/-0.5 ppm, и по вертикале:0.02 m +/-1.0 ppm[10]. Или 12 мм в плане и 60 мм по высоте, на максимальном удалении от базы.

Network RTK[править | править код]

Network RTK (в переводе с англ. — «Сеть RTK») — Математическая модель конфигурации объединяющей в сеть 2 и более опорных GNSS-приемников (ОП), соединенных через линии связи (IP-адрес (интернет) или линии сотовой связи формата GSM) в единый комплекс. Опорные приемники непрерывно передают свои индивидуальные спутниковые наблюдения на сервер. Программное обеспечение сети точно разрешает неоднозначности спутников, которые наблюдаются опорными приемниками (ОП). Максимальное расстояние между OП не более 70 км друг от друга[11].

Концепция RTK-Network применяется при создании Систем Дифференциальной коррекции в 2-х вариантах: геодезические системы СТП (Система Точного Позиционирования) и Контрольно-корректирующая станция (ККС) для навигационных систем. Обе конфигурации предполагают наличие центрального сервера (мощного процессора) для вычисления поправок и линий связи для сбора информации. Концепция RTK-Network позволяет моделировать (ожидать) основные ошибки на различных по площади областях с различным качеством (точностью).

Контрольно-корректирующая станция (ККС)[править | править код]

ККС системы WAAS с 3-мя опорными приемниками

Контрольно-корректирующие станции или станции сбора измерений, представляющие собой комплекс высокоточной навигационной аппаратуры, спроектированный в избыточной конфигурации. Традиционно ККС содержит 2 и более опорных станции установленные в точках с известными координатами, что гарантирует надежность и автономность в случае сбоев и достоверность собираемой информации[12][13].

Системы точного позиционирования[править | править код]

Системы точного позиционирования, состоящие из референцных станций, представляют собой единую сеть. Данные, получаемые со станций, стекаются в вычислительный центр, включающий как соответствующие аппаратные, так и программные средства. Средства связи референцных станций обеспечивают постоянную передачу в вычислительный центр данных, которые автоматически архивируются и преобразовываются в формат RINEX. После формирования дифференциальных поправок средства связи вычислительного центра транслируют их авторизированным пользователям, работающим в режиме RTK[14]. Такие системы развернуты в Германии, Швейцарии, Нидерландах, Франции, Дании, Швеции.[15]. На территории России полностью охвачены Москва и Московская Область, Санкт-Петербург и Ленинградская Область, Свердловская и Самарская области.[16][17] г. Севастополь и Калининград (с Областью). 90% покрытие имеют - Краснодарский край, республики Крым, Татарстан, Удмуртия и Чувашия, Омская и Воронежская, Курганская и Ростовская области. На 2019 год в России были представлены более 6 крупных компаний предлагающие услуги СТП (RTK-Net[18], PrinNet [19], Тopnet[20], SmartNet[21], eft-cors[22],ССТП БТИ[23]) использующие оборудование различных фирм. Сети конкурируют и взаимодействуют на паритетных основах.

Методы вычисления поправок в сетевых решения (Network RTK)[править | править код]

Сегодня, RTK сети, реализуют различные методы для создания точной корректировки, такие как, MAX и i-MAX, VRS или VBS и FKP[24]

MAX и i-MAX[править | править код]

MAX и i-MAX (Master-Auxiliary corrections в переводе с англ. — «Мастер-вспомогательные поправки») Метод базируется на одноименной концепции МАС (Master Auxiliary Concept), предложенной совместно фирмами Leica Geosystems и Geo++ в 2001 г. Индивидуальные MAX (i-MAX) был разработан, чтобы поддержать старые приемники, которые не могут принимать поправок типа MAX.

Концепция заключается в корректировки координат ровера через ближайшую (условно главную мастер-станцию). Такая концепция позволяет роверу проявлять большую гибкость — ровер может всегда отслеживать RTK решение и менять свои расчеты в процессе движения.

Информация о поправках собирается с сети (нескольких завязанных на один сервер базовых станций) обрабатывается специализированным ПО, передается пользователю. Таким образом поправки MAX и i-MAX связываю базовый приемник с ровером и линия может быть измерена повторно.[25]

VRS или VBS[править | править код]

VRS (Virtual Reference Station в переводе с англ. — «виртуальная референцная станция») или VBS(Virtual Base Station в переводе с англ. — «виртуальная базовая станция»)[26]- Метод виртуальной базовой станции разработан компанией Terrasat в конце 1990 годов. Данный метод также как и методы МАХ формирует поправки, симулируя RTK в режиме одиночной базовой станции — ровер передает на сервер приближенные координаты собственного положения (GGA сообщение), сервер автоматически генерирует условную (виртуальную) базу на расстоянии 10-15 метров от ровера, задав весовую оценку для каждой референц-станции как функцию расстояния до области работ (приемника принимающего поправки). Затем, с помощью специализированного ПО, запускается режим генерации поправок от виртуальной станции. Ровер начинает работу уже от виртуальной станции. В результате, получается один набор дифференциальных поправок, оптимизированный для данного района работ. Что не гарантирует единство измерений, а неоднократная генерация базовых станций посредством включения/выключения ровера приводит к скачкам положения.[27][28][29]

Преимущества VRS или VBS.

  • VBS обеспечивает высокую точность определения координат для больших областей
  • VBS является очень надежной системой, не зависящей от одной референц-станции
  • Отсутствие «скачков» позиционирования при переключении от одной референц-станции к другой (при постоянно включенном приемнике)[30].
FKP[править | править код]

FKP (Flächen Korrektur Parameter в переводе с нем. — «метод площадных поправок»)) — [31][32] Данный метод подразумевает расчет дифференциальных поправок на площади, охваченной несколькими базовыми станциями (площадь ожидаемых решений). Без учета предварительного положения подвижного спутникового приемника. Для предоставления поправок используется полином линейной области. Он относится к поверхности, которая определяется как параллельная эллипсоиду WGS-84 по высоте опорной станции то есть псевдодиапазона мобильного ровера. Из множества координат относящихся к сектору поверхности (площади ожидаемых решений) выбираются те, что соответствую разности фазы несущей L1 и L2 частот соответственно можно вычислить псевдодиапазон, скорректированный на позиционно-зависимые ошибки.[33]

Методы передачи поправок[править | править код]

VHF (УКВ-волна)[править | править код]

Передача поправок с «базы из поля» производится напрямую, через радио канал на определенной частоте.

Недостатки:

  • радиус действия ограничен охватом радиомодема;
  • необходима установка базовой станции над пунктом ГГС или предварительное координирование.

Достоинства:

  • нет необходимости в сторонних организациях.

С использованием GSM[править | править код]

CSD[править | править код]

CSD (Circuit Switched Data в переводе с англ. — «Данные с Коммутацией Каналов») Передача поправок с «референцной базы» или с «базы из поля» производится через «вторые руки» — линии сотовой связи формата GSM.

Недостатки

  • необходимость заключать договора с организацией эксплуатирующей сеть базовых станций и сервер и/или с оператором сотовой связи.

Достоинства

  • радиус действия ограничен покрытием сети (покрытие сети не ограниченно).

NTRIP[править | править код]

NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol в переводе с англ. — «Сетевой транспорт RTCM по интернет-протоколу»). Представлен в сентябре 2004 Немецкое агентство картографии и геодезии (German Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG)) и дортмундским Университетом Компьютерных Технологий (Dortmund University Department of Computer Science DUDCS). Передача поправок с «референцной базы» или с «базы в поле» производится также через «вторые руки» — белый IP — адрес ((интернет)линии сотовой связи формата GSM).

Недостатки

  • необходимость заключать договор с организацией эксплуатирующей сеть базовых станций и сервер.

Достоинства

  • радиус действия не ограничен;
  • требуется только ровер.

APIS[править | править код]

Передача поправок с «базы из поля» производится также через «вторые руки» — белый IP-адрес ((интернет)линии сотовой связи формата GSM).

Достоинства:

  • радиус действия не ограничен;
  • нет нужды заключать договор с организацией эксплуатирующей сеть базовых станций.

Недостатки:

  • необходима установка базовой станции над пунктом ГГС;
  • необходим сервер (сетевой сервис) и GSM-модем

Методы УКВ и APIS считаются классическими методами RTK, а CSD и NTRIP — референцными[34].

PPP-RTK[править | править код]

PPP-RTK — точное позиционирование точек с использованием метода кинематика в реальном времени.

Применение[править | править код]

Технология используется в большом количестве отраслей промышленности: в геодезии и земельном кадастре, строительстве, точном земледелии. В странах, где технология широко распространена, используется для мониторинга промышленных объектов.

Преимущества[править | править код]

Основным преимуществом режима является возможность точной обработки сигнала в реальном времени.

Режим RTK позволяет получать поправки в реальном времени, с точностью порядка 1 см в плане и 2 по высоте.

Недостатки[править | править код]

GPS-RTK может не работать, либо работать практически также медленно как DGPS, в случае видимости менее, чем 5 спутников,[35] а также в радиусе 20-30 км от базы.[36][37][38]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. — Издание 3-е, исправленное и дополненное. — Москва: ИФК «Каталог», 2002. — С. 62. — 106 с. — ISBN 5-94349-032-9.
  2. https://www.novatel.com/an-introduction-to-gnss/chapter-5-resolving-errors/real-time-kinematic-rtk/
  3. 1 2 rtcm sc-104 version 2.2 (недоступная ссылка). Дата обращения 14 февраля 2012. Архивировано 15 сентября 2013 года.
  4. https://orsyst.ru/blog9
  5. https://orsyst.ru/blog9
  6. https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/RTK_Standards
  7. http://lefebure.com/articles/rtk-correction-data-formats/
  8. http://lefebure.com/articles/rtk-correction-data-formats/
  9. http://lefebure.com/articles/rtk-correction-data-formats/
  10. [1]
  11. [2]
  12. https://www.glonass-iac.ru/guide/gnss/function_dop.php
  13. https://www.gmv.com/en/Products/dgps/
  14. http://masters.donntu.org/2014/igg/shatohina/library/article7.htm
  15. https://wireless-e.ru/wp-content/uploads/2006_3_61.pdf
  16. http://ugt-holding.com/reference_stations_ugt-holding
  17. http://geospider.ru/
  18. http://rtknet.ru/map/
  19. http://www.prin.ru/seti_referencnyh_stancij/prinnet/
  20. thttp://topnet.gsi.ru/
  21. https://smartnet.geosystems.ru//
  22. https://eft-cors.ru/
  23. http://гнсс.рф/maps
  24. [3]
  25. [4]
  26. http://www.kmcgeo.com/Articles/OmniSTAR.htm
  27. [5]
  28. [6]
  29. http://www.kmcgeo.com/Articles/OmniSTAR.htm
  30. http://www.kmcgeo.com/Articles/OmniSTAR.htm
  31. ГИС ассоциция
  32. Leica geosystems
  33. [7]
  34. https://www.prin.ru/articles/apis_novaya_tehnologiya_peredachi_rtk_popravok/
  35. GPS and GPS+GLONASS RTK, Frank van Diggelen
  36. Журнал «Геопрофи» 3-2008
  37. ГИС ассоциция
  38. Сети базовых референцных станций RTK

Ссылки[править | править код]