Предисловие

В настоящее время для производства кадастровых работ применяются различные технологии. Начиная с прошлого десятилетия, GNSS позиционирование стало одним из наиболее часто используемых методов, благодаря быстрому развитию сетей спутникового позиционирования и появлению недорогих приемников и антенн массового рынка GNSS. Определения координат с помощью этих приборов более доступны, чем традиционные методы измерений, даже если их применение для точного позиционирования не столь интуитивно понятно. Эта статья направлена на оценку использования одночастотных GPS / GNSS приемников массового рынка для кадастровых съемок в режимах кинематики в реальном времени от одиночной базовой станции (RTK) и кинематики в реальном времени с применением сетевых поправок (NRTK).

Кроме того, в статье рассматривается конкретный инструмент для прогнозирования и оценки случаев ложного исправления фазовых неоднозначностей для повышения точности решений. В RTK режиме результаты исследований показали разницу между эталонными координатами и определяемыми в несколько сантиметров, если расстояние между базовой станцией и ровером было менее 3 км. При работе в режиме NRTK точность определения координат составила 2 см в плане и около 5 см по высоте.

1.Геодезические измерения

Можно дать определение геодезическим измерениям как методу абсолютного или относительного определения трехмерного положения точек на поверхности Земли. Методы геодезических измерений непрерывно улучшались с развитием технологий. Геодезия прошла путь от применения теодолитов, геодиметров, электромагнитных дальномеров, тахеометров до лазерных сканеров и GNSS приемников. С момента появления спутниковой системы глобального позиционирования удалось достичь значительного улучшения в точности и скорости получения координат объектов.

В начале 1990-х годов было необходимо выполнять GPS измерения в статическом режиме несколько часов, чтобы разрешить фазовую неоднозначность и добиться точности в несколько сантиметров. С появлением нескольких дополнительных спутниковых созвездий (ГЛОНАСС, Galileo и Beidou, в дополнение к системе GPS), а также благодаря разработкам в спутниковых и приемных сегментах, появились новые методы съемки, основанные на высокоточном режиме реального времени.

Кинематическая (RTK) съемка была разработана с использованием одной или нескольких фиксированных базовых станций с известными координатами (опорными) и одного приемника – ровера, положение которого неизвестно. Это позволило увеличить расстояние между базовой и роверной станциями и сократить время съемки. Эти два параметра связаны друг с другом: развитие сети постоянно действующих станций позволило точнее определить атмосферные погрешности и значения фазовой неоднозначности, уменьшив временной интервал для полученного «фиксированного» решения (где фиксированный означает, что фазовые неоднозначности оцениваются и определяется как целочисленные значения). С прошлого десятилетия приемники массового рынка GNSS использовались для точного позиционирования. Эти инструменты более портативны, чем геодезические, и их можно использовать для определенных геодезических работ, например для выполнения кадастровой съемки. Задача кадастра — определения границ собственности, проектирования, планирования и зоны действия нормативных актов. Этот вид съемки ранее был основан на определении горизонтальных и вертикальных положений точек с высокой точностью: классический подход основан на измерении углов и расстояний для определения разностей высот, площадей и объемов с использованием тахеометров и призменных отражателей. С начала 2000-х годов, специалисты, работающие в кадастре, стали активнее применять GPS / GNSS оборудование. Целью данного исследования является изучение результатов позиционирования, выполненных различными GNSS методами при использовании приемников для массового рынка. Основное внимание было сосредоточено на оценке и сравнении точности и практического использования недорогих одночастотных приемников GNSS для кадастровой съемки в режиме реального времени. Эти инструменты действительно интересны, потому что они гораздо дешевле и портативнее по сравнению с геодезическими, и при правильном использовании могут дать неплохие результаты.


2. RTK позиционирование с использованием приемников недорогих приемников масс-маркета

Использование бюджетных GNSS приемников массового рынка для работы в реальном времени широко распространено за рубежом по многим причинам, особенно из-за их низкой стоимости и портативных размеров. Очень часто эти приемники собраны в «специальные бандлы» (состоящие из приемника и антенны) стоимостью менее 100 долларов и способны отслеживать не только спутники GPS, но и ГЛОНАСС, Галилео и Бейдоу. Некоторые из них также могут работать в режиме сетевого позиционирование в реальном времени (NRTK) и, в некоторых случаях, сохранять необработанные данные (измерения псевдодальности, фазы несущей и доплеровские измерения) во внутренней памяти.


2.1. Классическая RTK съемка в режиме реального времени от одной базовой станции

Классический подход позиционирования в реальном времени (RTK) состоит из работы от одной базовой станции, расположенной в точке с хорошо известными координатами, и одного ровера, используемого для измерения неизвестных координат точек в режиме реального времени. Чтобы понять концепцию позиционирования RTK, необходимо вспомнить некоторые принципы дифференциального позиционирования.

Верхняя формула показывает связь псевдодальности с длиной волны, нижняя формула связывает фазу несущей и длины волны.

В этих уравнениях    — псевдодальность,  — фаза несущей в единицах длины, соответственно между спутником и приемником на частоте.

В правой части уравнения, помимо геометрической длины указаны погрешности, связанные с часами приемника и спутника, умноженные на скорость света и .

— ионосферная задержка, — задержки распространения волны в тропосфере.

— ошибка многолучевости, — ошибки эфемерид спутников.

1 — погрешность измерения фазы несущей, умноженная на длину волны, — случайная ошибка.

В классическом RTK режиме с одной базовой станцией, опорная станция (определенная буквой A) имеет известные координаты, поэтому можно исключить все погрешности GNSS и определить значение коррекции псевдодальности PRC и фазы несущей CPC.

После этого, опорная станция может транслировать значения PRC и CPC на роверный приемник (определенный как B), который применяет их для вычисления

Если расстояние между опорной (базовой) станцией и роверным приемником меньше 10 км, мы можем пренебречь эфемеридной задержкой, так и ошибкой задержки сигналов в атмосфере, при этом их можно считать одинаковыми в обоих местах. Следовательно, они практически исключаются из-за разностных измерений двух приемников, что обеспечивает сантиметровый уровень точности измерений базовой линии, если неоднозначность фазы определяется как целое число.

На расстояниях более 10-15 км эти ошибки увеличиваются и ими уже нельзя пренебрегать. В этом случае необходимо применение математических моделей распространения сигналов в атмосфере для учета этих погрешностей в спутниковых измерениях.


Чтобы передавать поправки в режиме реального времени, необходима линия связи (по радиоволнам или GSM) между обоими приемниками. На сегодняшний день существует несколько методов разрешения неоднозначности, метод «на лету» (OTF) является наиболее часто используемых в режиме реального времени. Ошибки GNSS (в основном ионосферные и тропосферные задержки, погрешности фаз для всех видимых спутников) оцениваются ведущей станции на эпоху , в то время как положение ровера вычисляется с применением поправок, с учетом временного интервала между эпохами и фактическим моментом измерений.


2.2. Геодезическая RTKсеть

Сеть постоянно действующих станций можно определить как инфраструктуру, состоящую из трех основных частей:

• GNSS станции, расположенные в определенной зоне (среднее расстояние между станциями варьируется от 40 до 100 км) с точно известными координатами, которые передают данные в центр управления в режиме реального времени;

• центр управления, состоящий из сервера, который принимает и обрабатывает данные всех станций в режиме реального времени, пытаясь определить фазовые неоднозначности для всех спутников каждой референцной станции и оценить ошибки (например, ионосферные и тропосферные задержки и т. д.);

• сетевые продукты, которые содержат поправки, которые должен применять роверный приемник. Эти продукты предоставляются центром управления и транслируются каждому пользователю.

На получаемый уровень точности также влияет тип приемника (многочастотный, одночастотный, бюджетный) и используемая антенна (патч антенна, массовый рынок или геодезический класс), а также размер сети станций и геометрия взаимного расположения станций.

Помимо необработанных “сырых” измерений, можно получить потоковые данные, называемые «дифференциальными поправками», для выполнения позиционирования в реальном времени. Эти дифференциальные поправки обычно транслируются в соответствии со стандартом Радиотехнической комиссии для морских служб (RTCM) и используют интернет протокол (NTRIP —   Networked_Transport_of_RTCM_via_Internet_Protocol).

Ошибки определения местоположения, вычисленные центром управления, зависят от положения ровера и базовых станций. Существует три основных способа интерполяции подобных ошибок:

  1. Концепция (MAC): данные ближайшей к роверу базовой станции, называемой «ведущей», и нескольких других, которые тоже находятся рядом с подвижным приемником, называемые «вспомогательными», передаются на ровер. Для применения этой концепции требуется двухчастотный ровер, приемники массового рынка не могут следовать этому подходу, поскольку у них нет достаточной вычислительной мощности для использования этого метода, и они не используют более одной частоты GNSS.
  2. Метод Flächen-Korrektur-Parameter (FKP): сеть моделирует все смещения внутри области сети, используя очень простые линейные функции, и передает поправки от базовой станции, обычно ближайшей к роверу, вместе с параметрами этой модели. Ровер должен интерполировать эти данные в своем положении и применять их с учетом своего приблизительного положения.
  3. Метод Виртуальной базовой станции (VRS®).  Сетевое программное обеспечение моделирует создание несуществующей, виртуальной станции в непосредственной близости от ровера, и интерполирует поправки роверу, как если бы они исходили от существующей реальной мастер-станции. В этом случае ровер должен передать в центр управления свое приблизительное положение (например, через сообщение NMEA (Национальная ассоциация морской электроники), и получить назад поправки.

Этот последний метод идеален для одночастотных или бюджетных приемников, несмотря на его сложность для сетевого программного обеспечения. Он также позволяет напрямую генерировать из центра управления файлы сырых измерений базовой станции, расположенные рядом с ровером, что особенно полезно для постобработки. Эти файлы создаются в стандартном формате RINEX, и они называются Виртуальные файлы RINEX — «Virtual Rinex».

Также поправка может быть получена и использована непосредственно от ближайшей постоянно действующей базовой станции, но вероятность ошибки в этом методе увеличивается по сравнению с сетевыми методами. Еще один возможный метод позиционирования — RTK PPP, который также может быть применен к приемникам массового рынка, но он не рассматривается и не используется в этой статье.

3. Результаты тестовых измерений

Для исследований результатов позиционирования, которые можно получить для кадастровой съемки приемниками массового рынка, были использованы одночастотный приемник u-blox (L1) и мультисистемный (GPS, ГЛОНАСС и Beidou) приемник Garmin.


При работе с профессиональным геодезическим оборудованием логичным выглядит использование программного обеспечения этого же производителя. Компании, продающие GNSS оборудование для массового рынка, как правило, не производят программное обеспечение для обработки спутниковых измерений в реальном времени и постобработке. Таким образом, для проведения тестов было необходимо выбрать программное обеспечение, способное обрабатывать сигналы GNSS для обеспечения решение в реальном времени. Кроме того, профессиональные геодезические инструменты оснащены дисплеем, который показывает результаты и карты в режиме реального времени; их нет у недорогих устройств, поэтому необходимо было рассмотреть ноутбук или мобильное устройство с дисплеем, на котором установлено программное обеспечение для обработки GNSS. В этом исследовании использовалось мобильное устройство с переносной версией программного обеспечения RTKLIB с учетом модуля RTKNAVI для позиционирования в реальном времени. Это программное обеспечение интересно еще и тем, что оно позволяет управлять как необработанными данными (измерениями псевдодальности и фазы несущей) многих приемников массового рынка GNSS (в том числе u-blox), так и потоковыми данными, поступающими из сети постоянных станций, использующих аутентификацию NTRIP.

Программный модуль RTKNAVI позволяет также фиксировать фазовые неоднозначности в виде целочисленных значений, используя модифицированный метод LAMBDA. Это интересный метод, особенно для приложений реального времени, где скорость вычислений имеет решающее значение.

Ряд испытаний были разработаны и проведены в Сасселло, небольшом городке Лигурийского региона (Италия).

Первоначально, 16 точек были выбраны в четырех различных областях (названных A, B, C, D), вдоль различных границ кадастровых участков, выполняя съемку в RTK режиме. Базовая станция была размещена на расстоянии 1, 3, 5, 8 и 10 км от ровера. Наборы данных были собраны в разное время одного дня с учетом продолжительности каждого сеанса около 10 минут с частотой измерений 1 секунда, и средним числом спутников GNSS, равным 18 (9 GPS + 5 ГЛОНАСС + 4 Beidou. Для сравнения точности всех оцениваемых решений RTK производилась 3-х часовая статическая съемка GNSS приемником геодезического класса с обработкой результатов в программном обеспечении Bernese GNSS v. 5.2.

Ниже представлены основные статистические параметры (среднее и стандартное отклонение) решений RTK относительно эталонных для каждой области. Результаты показывают, что с помощью этого вида недорогих устройств можно достичь уровня точности в несколько см при использовании классического RTK метода при расстояниях до 5 км между базовой станцией и ровером.

В таблице ниже приведены данные (среднее и стандартное отклонения) между эталонными и измеренными координатами на расстоянии 1 км:

В таблице ниже приведены данные (среднее и стандартное отклонения) между эталонными и измеренными координатами на расстоянии 3 км:

В таблице ниже приведены данные (среднее и стандартное отклонения) между эталонными и измеренными координатами на расстоянии 5 км:

Если расстояние между базой и местом выполнения контрольных измерений увеличивается до 8 или 10 км, точность предсказуемо начинает падать, особенно по высоте (до 28 см или 34 см соответственно). Таким образом, при расстояниях свыше 5 км между базой и ровером бюджетного сегмента данный подход можно считать нереальным для кадастровых применений, поскольку максимально допустимая ошибка позиционирования составляет около 20 см для масштаба карты 1: 1000 и около 40 см для масштаба 1: 2000.

В таблице ниже приведены данные (среднее и стандартное отклонения) между эталонными и измеренными координатами на расстоянии 8 км:

В таблице ниже приведены данные (среднее и стандартное отклонения) между эталонными и измеренными координатами на расстоянии 10 км:

Одним из решений по увеличению точности является использование решений NRTK, т.е. работа от сети постоянно действующих станций. Были проведены некоторые тесты с использованием сети референцных станций (CORS) региона Лигурия (https://geoportal.regione.liguria.it/servizi/rete-gnss -liguria.html).

Как было описано выше, подобные сети управляются центрами управления, которые транслируют дифференциальные поправки различными способами (VRS®, MAC, FKP). В целом, эти инфраструктурные проекты не предназначены для массового рынка приемников; однако коррекция VRS может обеспечить улучшение точности позиционирования бюджетных роверов. Также с некоторыми ограничениями может быть достигнуто фиксирование фазовых неопределенностей.

В нашем эксперименте измерения с использованием коррекции VRS выполнялись на тех же контрольных точках. Как показали результаты, даже при расстоянии между одной из базовой станцией сети (CAMN) и ровера свыше 13 км, точность измерений была лучше, чем при работе от одной базы. Это произошло благодаря генерации виртуальной опорной станции программным обеспечением, которое управляет сетью постоянно действующих станций.

В таблице ниже приведены различия между эталонными и расчетными координатами с приемником массового рынка с использованием метода NRTK с коррекцией VRS®:

Чтобы обобщить результаты, полученные с помощью метода NRTK были выполнены измерения еще на 15 угловых точек, представляющих кадастровые участки.

Для оценки их повторяемости измерения были выполнены четыре раза в разное время с разными созвездиями спутников.

Ниже в таблицах обобщены результаты с учетом поправок VRS (слева) и без (справа). Полученные данные показывают, что характеристики роверного приемника возрастают как с точки зрения точности позиционирования, так и процента эпох с фиксированной неоднозначности (Percentage of FIX epochs).

В ряде случаях, метод разрешения неоднозначности некорректно фиксировал неоднозначности фазы: в этом случае точность решения была ниже ожидаемой (более 20 см вместо нескольких см), а результаты позиционирования были наихудшими. Это типичный случай, называемый false fix (FF). Используя специальные методики для прогнозирования и предотвращения подобных событий, стало возможным исключить практически все FF, уменьшив процент с 4% до 0,6% эпох. Таким образом, можно сделать вывод, что недорогие приемники GNSS в сочетании с самыми простыми антеннами позволяют получать сантиметровый уровень точности для применения в кадастре

4.Выводы

Технологии GPS / GNSS в настоящее время используются для различных приложений, начиная от деформационного мониторинга, геодезии и заканчивая кадастровыми съемками и определением местоположения транспорта и пешеходов. Позиционирование GNSS возможно практически везде: это стало возможным благодаря небольшому размеру (несколько миллиметров) самого GNSS чипсета, что позволило интегрировать его и в портативные устройства.

Целью данного исследования являлась оценка и сравнение точности и практического использования недорогих одночастотных приемников GNSS для кадастровой съемки в режиме реального времени. Были исследованы две разные методики: работа одночастотным L1 ровером от одной RTK базы и применение мультичастотного ровера в сети постоянно действующих базовых станций NRTK, как с применением технологии VRS, так и без нее.

Главной задачей исследования являлась оценка точности этих методов и сравнение результатов, полученных с помощью этих инструментов, с результатами, полученными профессиональной геодезической аппаратурой.

В классическом RTK режиме с одночастотным ровером можно достичь сантиметрового уровня точности, если длина базовой линии составляет менее 3 км. Если это расстояние увеличивается до 8 км, точность измерений уменьшается до 10–20 см, особенно в высотной составляющей. Таким образом, важно переключиться на метод NRTK: с учетом поправки VRS разница между эталонным и определяемыми координатами составила менее 2 см в плане и около 5 см по высоте. Без режима VRS точность немного уменьшаются и составляет около 4 см и 10 см в плане и по высоте.

Опыт этого исследования показал хорошую возможность использования недорогих приемников массового рынка для кадастровых съемок с учетом некоторых ограничений.

Оригинал статьи:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674984718301733#sec3

Как подключиться

Как подключиться

Параметры подключения

Станции сети

Станции сети

Посмотреть зону покрытия SmartNet