stringtranslate.com

Кинематическое позиционирование в реальном времени

Геодезист использует приемник GNSS с решением RTK для точного определения местоположения парковочной полосы для топографической съемки.

Кинематическое позиционирование в реальном времени ( RTK ) — это приложение геодезии для исправления распространенных ошибок в современных системах спутниковой навигации (GNSS) . [1] Оно использует измерения фазы несущей волны сигнала в дополнение к информационному содержанию сигнала и опирается на одну опорную станцию ​​или интерполированную виртуальную станцию ​​для предоставления поправок в реальном времени, обеспечивая точность до сантиметра (см. DGPS ). [2] В отношении GPS в частности, система обычно называется усилением фазы несущей или CPGPS . [3] Оно применяется в топографической съемке , гидрографической съемке и в навигации беспилотных летательных аппаратов .

Фон

Концепция РТК

Расстояние между спутниковым навигационным приемником и спутником можно рассчитать по времени, которое требуется сигналу для прохождения от спутника до приемника. Чтобы рассчитать задержку, приемник должен выровнять псевдослучайную двоичную последовательность, содержащуюся в сигнале, с внутренне сгенерированной псевдослучайной двоичной последовательностью. Поскольку спутниковому сигналу требуется время, чтобы достичь приемника, последовательность спутника задерживается относительно последовательности приемника. За счет все большей задержки последовательности приемника, две последовательности в конечном итоге выравниваются.

Точность полученного измерения дальности по сути является функцией способности электроники приемника точно обрабатывать сигналы со спутника, а также дополнительных источников ошибок, таких как не устраненные ионосферные и тропосферные задержки , многолучевое распространение, ошибки спутниковых часов и эфемерид . [4]

Отслеживание фазы несущей

RTK следует той же общей концепции, но использует несущую волну спутникового сигнала в качестве своего сигнала, игнорируя содержащуюся в нем информацию. RTK использует фиксированную базовую станцию ​​и ровер для уменьшения ошибки определения местоположения ровера. Базовая станция передает данные коррекции роверу.

Как описано в предыдущем разделе, дальность до спутника по сути вычисляется путем умножения длины волны несущей на количество полных циклов между спутником и ровером и добавления разности фаз. Определение количества циклов нетривиально, поскольку сигналы могут быть сдвинуты по фазе на один или несколько циклов. Это приводит к ошибке, равной ошибке в предполагаемом количестве циклов, умноженных на длину волны, что составляет 19 см для сигнала L1. Решение этой так называемой задачи поиска целочисленной неоднозначности приводит к сантиметровой точности. Ошибку можно уменьшить с помощью сложных статистических методов, которые сравнивают измерения сигналов C/A и путем сравнения полученных дальностей между несколькими спутниками.

Улучшение, возможное с использованием этой техники, потенциально очень велико, если продолжать предполагать точность захвата в 1%. Например, в случае GPS код грубого захвата (C/A), который транслируется в сигнале L1, меняет фазу на частоте 1,023 МГц, но сама несущая L1 имеет частоту 1575,42 МГц, что меняет фазу более чем в тысячу раз чаще. Таким образом, ошибка ±1% в измерении фазы несущей L1 соответствует ошибке ±1,9 мм в базовой оценке. [5]

Практические соображения

Настройка РТК

На практике системы RTK используют один приемник базовой станции и несколько мобильных устройств. Базовая станция ретранслирует фазу несущей, которую она наблюдает, а мобильные устройства сравнивают свои собственные измерения фазы с полученной от базовой станции. Существует несколько способов передачи сигнала коррекции от базовой станции к мобильной станции. Наиболее популярным способом достижения недорогой передачи сигнала в реальном времени является использование радиомодема , как правило, в диапазоне УВЧ . В большинстве стран определенные частоты выделяются специально для целей RTK. Большинство геодезического оборудования имеет встроенный радиомодем диапазона УВЧ в качестве стандартной опции. RTK обеспечивает повышение точности на расстоянии до 20 км от базовой станции. [6]

Это позволяет устройствам вычислять свое относительное положение с точностью до миллиметров, хотя их абсолютное положение имеет точность только с той же точностью, что и вычисленное положение базовой станции. Для RTK с одной базовой станцией может быть достигнута точность 8 мм + 1 ppm (частей на миллион / 1 мм на км) по горизонтали и 15 мм + 1 ppm по вертикали относительно базовой станции, в зависимости от устройства. [7]   Например, при базовой станции на расстоянии 16 км (чуть меньше 10 миль) относительная горизонтальная ошибка составит 8 мм + 16 мм = 24 мм (чуть меньше дюйма).

Хотя эти параметры ограничивают полезность техники RTK для общей навигации, эта техника идеально подходит для таких ролей, как геодезия. В этом случае базовая станция располагается в известном обследованном месте, часто в качестве репера , и мобильные устройства могут затем создавать высокоточную карту, принимая решения относительно этой точки. RTK также нашел применение в системах автопилота/автопилота, точном земледелии , системах управления машинами и подобных ролях.

Сетевые RTK расширяют использование RTK на большую территорию, содержащую сеть опорных станций. [8] Эксплуатационная надежность и точность зависят от плотности и возможностей сети опорных станций. С сетевыми RTK можно достичь точности 8 мм + 0,5 ppm по горизонтали и 15 мм + 0,5 ppm по вертикали относительно ближайшей станции, в зависимости от устройства. [7] Например, при базовой станции на расстоянии 16 км (чуть меньше 10 миль) относительная горизонтальная ошибка составит 8 мм + 8 мм = 16 мм (примерно 5/8 дюйма).

Сеть непрерывно действующей опорной станции (CORS) представляет собой сеть базовых станций RTK, которые передают поправки, обычно через интернет-соединение. Точность повышается в сети CORS, поскольку более одной станции помогают обеспечить правильное позиционирование и защищают от ложной инициализации одной базовой станции. [9]

Виртуальная опорная сеть (VRN) может аналогичным образом повысить точность без использования базовой станции, [10] используя вместо этого виртуальные опорные станции (VRS). Концепция может помочь удовлетворить это требование, используя сеть опорных станций. Типичная установка CORS состоит из одной опорной станции, с которой необработанные данные (или поправки) отправляются на приемник ровера (т. е. пользователю). Затем пользователь формирует разности фаз несущей (или корректирует свои необработанные данные) и выполняет обработку данных с использованием дифференциальных поправок. Напротив, архитектуры сетей GNSS часто используют несколько опорных станций. Такой подход позволяет более точно моделировать зависящие от расстояния систематические ошибки, в основном вызванные ионосферными и тропосферными рефракциями, а также ошибками орбиты спутника . Более конкретно, сеть GNSS уменьшает зависимость бюджета ошибок от расстояния ближайшей антенны.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Boquet, Guillem; Vilajosana, Xavi; Martinez, Borja (2024). «Возможность предоставления высокоточных данных коррекции GNSS через неземные сети». IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement . 73 : 1–15. doi : 10.1109/TIM.2024.3453319 . ISSN  0018-9456.
  2. ^ Ваннингер, Ламберт. «Введение в сетевой RTK». www.wasoft.de . Рабочая группа IAG 4.5.1 . Получено 14 февраля 2018 г. .
  3. ^ Мэннингс, Робин (2008). Повсеместное позиционирование. Artech House. стр. 102. ISBN 978-1596931046.
  4. ^ Вайффенбах, GC (1967-12-31), «Влияние тропосферного и ионосферного распространения на спутниковую радиодоплеровскую геодезию», Электромагнитное измерение расстояния , Издательство Торонтского университета, стр. 339–352, doi :10.3138/9781442631823-030, ISBN 9781442631823
  5. ^ "Геопозиционирование, GPS, DGPS и точность позиционирования" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 ноября 2009 г. . Получено 20 июня 2006 г. .
  6. ^ РИТДОРФ, Анетт; ДАБ, Кристофер; ЛОЭФ, Питер (2006). «Точное позиционирование в реальном времени с использованием навигационных спутников и телекоммуникаций». ТРУДЫ 3-го СЕМИНАРА ПО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЮ, НАВИГАЦИИ И СВЯЗИ . CiteSeerX 10.1.1.581.2400 . 
  7. ^ ab Trimble Inc. (октябрь 2020 г.). "Технический паспорт - Trimble R12 GNSS System - English (US)" (PDF) . Trimble . Получено 3 марта 2024 г. .
  8. ^ Гакстаттер, Эрик. «RTK Networks – What, Why, Where?» (PDF) . www.gps.gov . USSLS/CGSIC Meeting 2009 . Получено 14 февраля 2018 .
  9. ^ Министерство торговли США, NOAA; Министерство торговли США, NOAA. "Национальная геодезическая служба - Домашняя страница CORS". www.ngs.noaa.gov . Получено 11 декабря 2018 г.
  10. ^ "Руководство по обследованию CDOT" (PDF) . Департамент транспорта штата Колорадо . 2021.

Внешние ссылки