Инж. Аспарух Камбуров
Българска геоинформационна компания ООД
Въведение
В съответствие със световните тенденции в геодезията, през последните години геодезическото производство в България потърси нови начини за удобно и ефикасно повишаване на точността на ГНСС измерванията. Съвременната практика приема като най-рационални методите за определяне на диференциални поправки чрез мрежи от референтни станции. Тези методи намират все по-голяма популярност за най-разнообразни геодезически приложения. Преимуществото им произтича от факта, че базисните вектори между даден подвижен приемник и единична референтна станция са ограничени като дължина в пространството поради различните атмосферни условия в областите, в които са разположени. Използването на мрежи от референтни станции осигурява значително по-голяма площ на покритие на корекциите, както и по-точно определяне на параметрите, водещи до поява на систематични грешки в измерванията – йоносферната и тропосферната рефракция, грешки в орбитите на спътниците.
От тази година на територията на България вече функционират три независими мрежи за определяне на диференциални корекции, в реално време и с последваща обработка. Това са ГеоНет, Naviteq и BULiPOS, осигуряващи потребителите в цялата страна с корекции, определени по съвременни мрежови методи.
Тази публикация представлява преглед на различните видове съвременни мрежови решения за определяне на диференциални корекции, с акцент върху предимствата и недостатъците на всеки от тях. Представени за основни параметри и текущо състояние на мрежовите ГНСС услуги, предлагани в България.
Методи за определяне на мрежови диференциални корекции
Мрежовите диференциални корекции се определят по два начина – като разлики от измерени кодови или фазови псевдоразстояния, или чрез моделиране на всички физически компоненти на източниците на грешки. Чрез диференциални корекции, в рамките на обхвата на мрежата се осигурява независимост в грешката на измерване от местоположението на подвижния приемник. По метода на псевдоразстоянията се определят корекции за ГНСС мрежи с местно предназначение (LADGNSS), докато по-усъвършенстваният метод на моделирането служи за изчисляване на корекции в WADGNSS (ГНСС мрежи с голям обхват).
Съществуват голям брой практически разработки, базирани на предимствата на метода на моделирането на диференциални поправки пред този на псевдоразсоянията. Пионер в тази област е немската компания GEO++, която патентова метода за моделиране на поправките GNSMART. Същността на този метод се състои в анализ на данни от мрежа референтни станции, с цел изчисляване и представяне на състоянието на отделните компоненти на грешките, влияещи върху ГНСС измерванията – орбитни параметри, грешки в часовниците, влияние на йоносферната и тропосферната рефракция.
Фиг. 1. Същност на метода GNSMART
Повод за започване на разработката на GNSMART са наблюдаваните смущения в диференциалните поправки заради кулминирането на 23-я цикъл на 11-годишната активност на Слънцето, започнал през май 1996 г. Това довежда до търсене на нови концепции в мрежовите подходи за определяне на поправките. Чрез моделиране на всички физични параметри се вземат в предвид и грешките в часовниците на спътника и на приемника – грешки, обикновено отстранявани чрез използването на единични и двойни фазови разлики между измерванията. Използването на фазови разлики освен грешки отстранява и информация, освен това корелацията на двойните фазови разлики обикновено се пренебрегва при определяне поправките от мрежи от референтни станции. Това са едни от причините GNSMART да използва за определяне на компонентите на грешката готовите необработени ГНСС измервания, без използване на фазовите разлики. Методът е проверен експериментално в мрежа референтни станции в Япония, като е получена точност 1 сm на разстояния 28-32 кm, с 30-секундно време за инициализация. В последващ експеримент в Германия е установено, че решаване на нееднозначностите по метода GNSMART се получава и на разстояния над 70 кm, при използване на данни от съседни мрежи станции [1].
Понастоящем всички производители на софтуер за мрежови решения използват метода на моделиране на физически компоненти на източниците на грешки. С развитието на ГНСС и разширяването на мрежите от референтни станции до национален обхват, се увеличава и броят на станциите в тях. Необходимият за генериране на мрежово решение математически модел се натоварва значително, което обременява компютрите в контролните центрове и забавя резултатите в реално време. За да отговори на новите тенденции, през 2003 г. компанията Trimble, един от лидерите в областта на мрежовите решения, патентова технологията Federated Geometry Filter (FGF). Това е по същество усъвършенстван разделен Калманов филтър, чрез който данните от всяка станция се изчисляват в отделни локални филтри, а не в един общ такъв. Докато при по-старите софтуерни разработки с увеличаване на броя на станциите в дадена мрежа изчислителният процес нараства в кубична функция, благодарение на този метод добавянето на нови станции е в линейна зависимост с броя на изчисленията. Експериментални измервания по този метод в Германия през 2003 г. показват значителното ускоряване на времето за определяне на нееднозначности, мониторинг на състоянието и други елементи от процеса на генериране на мрежово решение [6].
Видове мрежови решения
Мрежовите диференциалните корекции се създават и предават в подвижните приемници по няколко начина:
Метод на виртуалната референтна станция (VRS)
Методът VRS е създаден от Trimble през 2000 г. и се реализира чрез мрежа от непрекъснато работещи референтни станции, свързани по комуникационни канали с контролен център. На базата на данни от наблюденията в станциите и в даден подвижен приемник, предавани и обработвани от компютър в контролния център, се създава една виртуална референтна станция, разположена в съвсем близка на подвижния приемник околност. За тази станция се генерират изкуствени данни за наблюдения към спътници, които се изпращат и използват от подвижните приемници така, все едно са получени от една истинска референтна станция. Целият процес се управлява от специализиран мрежов софтуер в контролния център. На пазара съществуват редица видове, като разработката на Trimble GPSNet, ползваща технологията FGF, се смята за една от най-добрите в тази категория продукти. В работно отношение GPSNet (при използване на стария формат RTCM 2.3) изисква минимално необходим брой от три референтни станции, свързани с контролния център чрез канали за връзка. Подвижният приемник изпраща данни за приблизителното си положение по каналите за мобилни комуникации (NMEA протокол по GSM) в контролния център. Там се генерират диференциални корекции, които се предават на потребителя в стандартен RTCM формат. Потребителят – подвижния приемник, използва корекциите за по-високоточно определяне на положението си, и изпраща данни за него обратно в контролния център. Отново се генерират DGPS корекции, вече с точност 1-2 m, които се изпращат обратно в приемника.
Фиг. 2. Създаване на Виртуална референтна станция (VRS)
По този начин се създава една виртуална референтна станция, разположена в метров диапазон около подвижния приемник. Този диапазон е достатъчен за вярното и точно прилагане на йоносферните и тропосферни поправки, моделирани при това с използване на данни от всички съществуващи станции [2].
Съществуват различни VRS методи в зависимост от това по кой метод са изчислени поправките – метода на псевдоразстоянията или метода на моделирането. Последния дава по-добри резултати поради факта, че може да използва непрекъснато действащи филтри, което намалява влиянието на грешките, зависещи от положението на станцията – многопътност и др.
Могат да се споменат и някои недостатъци на VRS метода. На първо място е намаляването на точността на изчислените диференциални поправки с отдалечаване от виртуалната референтна станция. Също така, тъй като подвижният приемник изчислява корекции от виртуалната референтна станция, а корекциите между нея и истинската референтна станция се изчисляват от мрежовия софтуер, то при използване на различни модели за тропосферната рефракция биха се получили несъвместими диференциални корекции [1].
Метод на площните поправки (FKP)
Докато VRS метода се нуждае от двупосочна комуникационна връзка (GSM/GPRS), съществуват и варианти диференциалните корекции да се предават по еднопосочна връзка – от референтната станция към подвижния приемник. Тъй като понастоящем все още не съществува стандартизиран формат, в който да се предават такива корекции, различните мрежи използват собствено създадени формати. Германската служба SAPOS използва метод, базиран на просто линейно представяне на отделните компоненти на грешката. Методът се нарича FKP – площни мрежови корекции, и се използва в Германия в допълнение към метода VRS. Базиран е на радиопредаване на линейни корекционни параметри, които описват поведението на грешката в близка околност на една истинска референтна станция. Мрежовият софтуер на GEO++ GNNET, базиран на представения по-горе метод GNSMART, използва площни FKP диференциални корекции в реално време. Както и при метода VRS, ограничения в използване на метода произтичат при увеличаване на разстоянието между референтната станция и подвижния приемник. Също така, засега само ограничен кръг производители включат в приемниците си този формат (напр. Trimble 5700 и по-нови модели).
Според създателите, основно предимство на метода FKP пред VRS е възможността за предаване на корекциите по радиовълни, с необходима за целта единствено еднопосочна комуникационна връзка. Също така, FKP съдържа не абсолютна, а градиентна информация за тропосферата, което спомага за точното прилагане на данните за тропосферата в референтната станция от подвижния приемник. „Измеренията на мрежите и обхвата на радио-разпространяващата медия често са достатъчни за ефикасно прилагане на FKP линейните корекции” [1].
Същевременно група специалисти от Trimble анализират и доказват преимущества на VRS пред FKP. Според тях, VRS методът позволява комплексно моделиране на йоносферните и тропосферните ефекти в мрежовия сървър чрез използване на информация от цялата мрежа референтни станции. За разлика от него, методът FKP има ограничени възможности за моделиране на йоносферния ефект, като данните за атмосферните условия засега се вземат само от две станции. Дори с използването на последната версия формат RTCM 3.1, който осигурява достъп до данните от повече референтни станции, подвижният приемник е обременен поради факта, че извършва много изчислителна работа. Изтъква се и предимството на GSM/GPRS каналите за връзка поради възможността за предаване и на допълнителна информация освен необходимата, както и поради по-лесното определяне цената на услугата. Като още едно предимство на VRS е посочено по-ефикасното елиминиране на влиянието на тропосферната рефракция [3].
Като недостатък на VRS може да се посочи ограничението в точността на разпространяваните корекции, при отдалечаване на подвижния приемник от местоположението на виртуалната референтна станция. Експериментално е доказано със софтуера GPSNet, че този негативен ефект може да се отстрани с използването на допълнителна информация, напр. площни поправки, които да моделират поведението на грешките в околност около първоначалното положение на виртуалната референтна станция [1].
Предимствата на VRS метода налагат тенденцията за създаване на ГНСС инструменти, които да поддържат използването му. Пример за това е технологията eRTK, патентована от Trimble. еRTK използва усъвършенствани методи за обработка на данните и на ГНСС сигнала, като се базира безжична комуникация с подвижните приемници. Приложението на технологията е най-ефективно в комбинация с метода VRS, като експериментално е установено, с използването на 3 референтни станции, че RTK точността за площ от 8500 кm2 е 1 сm по положение и 2 сm по височина. Сравнен с конвенционалния RTK метод с единична базова станция, eRTK осигурява 325% увеличение в обхвата на покритие [4]. Освен това, извършваният от VRS мониторинг на целостта на ГНСС сигнала допълнително увеличава надеждността на позиционирането.
Фиг. 3. Принципи на VRS и FKP
Мрежови корекции във формат MAC
Редица от недостатъците на VRS метода съществуват поради несъвършенства в предишната версия на формата за тяхното предаване – RTCM 2.3. Това налага създаването през 2006 г. на нова версия на формата – RTCM 3.1, разгледан по-долу. Новият формат заляга в редица практически реализации на мрежи референтни станции, както и в потребителската апаратура. Първа корпорацията Leica Geosystems започва поддържането му в своите продукти SpiderNET (софтуер за мрежи от референтни станции) и ГНСС инструментите Leica System 1200. Софтуерът намира приложение за управление на създадената в Обединеното кралство през 2005 г. мрежа от референтни станции SmartNet. Архитектурата на SpiderNET e базирана на мрежови сървъри в контролния център на SmartNet, защитени с високо ниво на сигурност, събиращи необработени данни от референтни станции.
Фиг. 4. Мрежата SmartNet
Изчислените корекции са достъпни за потребителите посредством NTRIP GPRS, GSM, или изтегляне на RINEX от Интернет. За постигане на максимални резултати, референтните станции в мрежата се подразделят на групи и клетки, като обработването на данните по този начин осигурява по-добро решение на нееднозначностите – целта е постигане на т. нар. Общо ниво нееднозначност (ОНН) в дадена група станции. Това благоприятства потребителите, тъй като премахва ограниченията за използване на 3 референтни станции, наложени от други методи (VRS с RTCM 2.3), като по този начин се използват оптимален брой референтни станции – 5 или 6, чрез което се подобрява мрежовата геометрия по отношение на подвижния приемник, а атмосферните ефекти се определят за по-широка област. Като предимство от употребата на повече станции може да се посочи и по-устойчивото поддържане на фиксирано решение от подвижния приемник, дори при нарушаване на комуникационната връзка между някоя от станциите в клетката и контролния център [5].
Клетката е част от група референтни станции, състояща се от главна и спомагателни референтни станции, чрез които се генерират т. нар. корекции MAC (Master-auxiliary corrections) – мрежови корекции, базирани на концепция, създадена от Leica Geosystems и GEO++. Понастоящем SmartNet обхваща 90 референтни станции, като в бъдеще е предвидено изграждането на 14 станции за качествен мониторинг, като крайната цел е създаването на напълно функционална ГНСС с национален обхват.
Фиг. 5. Принцип на MAC
Корекциите MAC се базират на предаване на наблюденията от референтните станции, сведени до ОНН. Такива наблюдения съдържат действителните атмосферни (йоносферни) и геометрични (тропосферни, орбитни) грешки, които подвижния приемник използва за точно определяне на положението, чрез използване на данните от всички подходящи базисни вектори. По този начин е налична цялата информация за грешките, с което се избягва недостатъка на VRS метода, при който за подвижния приемник са неизвестни методите на моделиране на компонентите им. МАC корекциите могат да се предават и чрез еднопосочни и двупосочни комуникационни канали. Разработени са и т. нар. корекции iMAC, които се предават само по двупосочни канали за връзка (GSM и др.). Тези корекции обслужват нуждите на по-старото поколение ГНСС приемници, които не поддържат формата RTCM 3.1. Предават се по RTCM 2.3 и RTCM 3.0, като осигуряват резултати със същата точност като MAC корекциите.
Формат RTCM 3.1
Това е най-съвременният и титулуван метод за предаване на мрежовите корекции към потребителите. Представлява първият стандартизиран формат, включващ съобщения за корекции, изчислени от RTK мрежи. Методът FKP използва специфичен формат, разработен от немски дистрибутори на мрежови услуги, който за съжаление не се поддържа от повечето ГНСС приемници. До 2006 г. методът VRS използва единствено формата RTCM 2.3, който създава ограничения за максимално ефикасното използване на мрежовите корекции. Както бе споменатo по-горе, вследствие на неизвестното положение на истинската референтна станция, подвижният приемник не може да използва най-ефикасно услугите на мрежата [1]. Това произтича от факта, че във варианта на формата RTCM 2.3 изпращаните към подвижния приемник координати за истинската са заместени от тези за виртуалната референтна станция. Ако в подвижния приемник биха били известни координатите и на истинската референтна станция, то той може да отчита фактори като локални тропосферни и йоносферни аномалии, и да използва тези данни за уточняване на използвания RTK модел.
Стандартът RTCM 3.1 е създаден в съответствие с нуждите на редица дистрибутори на диференциални ГНСС услуги и производители на инструменти. Предишната версия на формата RTCM 2.3 не е способна да покрие нуждите на съвременните RTK мрежи, поради различни несъвършенства в архитектурата си, и по-точно неефикасното използване на ширината на лентата на формата. Ето защо през 2006 г., след години на разработване и тестване, Специална комисия 104 към RTCM (Радио-техническа комисия по Морски дела) патентова формата RTCM 3.0, създаден основно за нуждите на RTK измерванията. Форматът се базира на отделни думи, групирани в съобщения, които във версия 3.0 съдържат информация за наблюдаваните в референтните станции кодови и фазови измервани величини, данни за антените и др. В RTCM 3.1, освен тези данни, са включени и мрежови диференциални корекции, чрез които подвижният приемник определя своето местоположение в по-голям диапазон. Също така са създадени нови съобщения, по които се предават орбитни параметри за GPS и ГЛОНАСС спътниците, чрез което се спомага и ускорява процесът на инициализация, както и съобщения, осигуряващи готови 7-параметрични афинни трансформации на потребителите. В същото време Германската служба по картография и геодезия (BKG) патентова формата NTRIP (RTCM via Internet Protocol – по-късно приет и от комисията RTCM), регламентиращ предаването на RTCM формата по Интернет. „Специална комисия 104 към RTCM вярва, че новия формат 3.1 за ГНСС приложения ще бъде полезен за осигуряване за високоточно диференциално и кинематично позициониране, както и за широк кръг навигационни услуги в глобален мащаб през следващото десетилетие” [7].
Мрежови DGNSS услуги на българския пазар
Потребителите на високоточни ГНСС приложения в България имат възможност за избор между три действащи доставчика на мрежови решения, в реално време и с последстваща обработка. Мрежите са в различен етап на развитие и използват различни решения в мрежовата си инфраструктура. В таблицата по-долу са систематизирани основните параметри на действащите в момента мрежи, по данни от официалните им страници в Интернет.
Табл. 1. Мрежови DGNSS услуги в България (таблицата в хартиеното издание е с пропуски в данните на предлаганите услуги от NAVITEQ, които ще бъдат уточнени в следващия брой. Редакцията се извинява за неточността.)
Заключение
Мрежовите диференциални ГНСС решения са бъдещето на високоточните приложения за определяне не местоположение. С оглед на тяхното непрекъснато развитие, световните производители в този бранш създават нови, все по-усъвършенствани патенти и продукти, стремящи се да задоволят изискванията на разширяващия се кръг от потребители. Подобна тенденция се наблюдава и в България, където все повече потребители от геодезическия бранш, както и от секторите за картиране, утилити и ГИС, използват наличните мрежови ГНСС услуги. Ето защо, въпреки разликата в етапите на развитие на мрежите, както и в качеството и стабилността на потоците с диференциални корекции, доставчиците на мрежови диференциални услуги в България се стремят да бъдат в крак със съвременните тенденции, за което могат да бъдат поздравени.
Литература
[1] Network-Based Techniques for RTK Applications.
[2] Virtual Reference Station Systems, Landau et al.
[3] Virtual Reference Stations versus Broadcast Solutions in Network RTK – Advantages and Limitations, Landau et. al.
[4] eRTK: A New Generation of Solutions for Centimeter-Accurate Wide-Area Real-Time Positioning, Large et al.
[5]. Leica Geosystems – “Take it to the MAC”, 2005.
[6]. Federated Filter Approach for GNSS Network Processing, Landau et. Al, 2004
[7]. www.rtcm.org
