Възход на ГНСС методите за прецизно единично определяне на местоположение (PPP) в реално време и възможностите им за високоточни приложения

Аспарух Камбуров, Българска геоинформационна компания

1.    Въведение

В статията е разгледано състоянието и приложението на съвременните ГНСС методи за позициониране в реално време, с акцент върху метода за прецизно единично определяне на местоположение (PPP, от Precise Point Positioning) и неговите комбинации с класически ГНСС методи като RTK (Real Time Kinematic), довели до развитието на концепцията PPP-RTK. Направен е кратък исторически преглед на различните методи. Разгледани са някои водещи в световен мащаб продукти и услуги, прилагащи технологиите PPP и PPP-RTK. Сравнени са предимствата и недостатъците на традиционно използваните методи за повишаване на точността – чрез диференциални ГНСС и RTK приложения в единичен и мрежови режим, с тези, осигурявани от методите PPP. В заключение е направено сравнение на разгледаните методи по три критерия:

• Разходи – обзор на отделните компоненти, участващи в калкулирането на общите разходи, в зависимост от вложените средства за ГНСС оборудване, заплащане за абонамент, заплащане за преносна среда – наети линии, мобилен интернет, необходимост от собствена поддържаща инфраструктура и др;
• Производителност – преглед на оперативността на работа, които осигурява съответният ГНСС метод;
• Точност – постижимата точност за определяне на местоположение.

2.    Кратък исторически преглед на геодезическите ГНСС методи

Опитите за повишаване на автономната точност, осигурявана от спътниковите навигационни системи, започват още в началото на 80-те години с последваща обработка на едночестотни измервания от първите GPS спътници Блок I. Резултатите са обещаващи и дават тласък в търсенето на нови методи за точно определяне на местоположение на обекти навсякъде по сушата, в морето и околоземното пространство (Schrock, 2012). Първите комерсиални двучестотни GPS приемници, поддържащи последваща обработка на измервания – легендарните TI 4100, са произведени през 1981 г., основно за нуждите на геодезията. Те са последвани от първите системи за работа в реално време, въвели принципите на диференциалното позициониране за морски приложения. В България първият двучестотен GPS приемник – WM 102, се появява през 1988 г. за обслужване на геодезическите дейности във Военно-топографската служба.

С осигуряваната висока точност методът на последващата обработка е стандарт в геодезическата индустрия и до днес. Въпреки това методът не е лишен от недостатъци, сред които:

• изисква наличие на инфраструктура от собствени или перманентни базови станции;
• необходими са продължителни сесии с измервания;
• изисква по-задълбочени познания и опит за обработка на данните.

С други думи, последващата обработка е точен метод, но с ниска производителност и при висока цена. За разлика от него, концепцията на диференциалните GPS (DGPS) методи, нова за времето си, изисква базова инфраструктура с по-малка гъстота, осигуряваща корекции на разстояния до 200-500 km в реално време, за сметка на постиганата точност. По този признак DGPS се нарежда към методите с висока производителност, при ниска точност и сравнително висока цена (освободени от такса корекции тогава още няма). Необходимостта от високоточен геодезически метод в реално време води през 1992 г. до създаването на метода RТК. Чрез обработка на двучестотни измервания и прилагане на усъвършенствани математически модели – фазови разлики, фиксиране на циклични параметри в движение и др., методът RTK достига точността на последващата обработка (за базисни вектори до 10 km), вече в реално време – т.е. бърз, точен, но все още скъп метод, най-вече поради необходимостта от разполагане на собствена базова инфраструктура.

Нов тласък в развитието на ГНСС технологиите дойде в края на 90-те години на XX в., с появата на мрежовите RTK (RTN) методи. Към тях спадат разработкитe VRS (петент на Trimble), MAC (на Leica) и FKP (на Geo++). Бързи и точни, те носят и редица други предимства спрямо класическите RTK, сред които:

• увеличен обхват на корекциите;
• отсъствие на необходимост от собствена базова инфраструктура;
• определяне на местоположение директно във възприетата от съответната мрежа геодезическа референтна система;
• определяне на прогнозни модели – за йоносферното изменение, спътниковите орбити, геодинамичните процеси и др.

Към момента, oт геодезическа гледна точка мрежовите методи са все още сравнително скъпи поради необходимостта от активни перманентни станции и свързаните с поддържането им разходи за абонамент (Schrock, 2012).

Концепцията на метода PPP (Precise Point Positioning) е публикувана за първи път през 1995 г. (Héroux и Kouba, 1995). Базира се на прецизни данни за орбитите и скалите за време на спътниците, приложени към измервания от единичен ГНСС приемник. Изчислителният алгоритъм на PPP се отличава значително от тези, използвани при методите на последващата обработка, DGPS, RTK и RTN: докато при тях повишаването на точността се постига чрез формиране на разлики между измерванията в базовите станции и подвижните приемници (т. нар. метод OSR – Observation State Representation), то при PPP се извършва оценка в реално време на различните физически източници на грешки – йоносферна и тропосферна рефракция, орбитни параметри, скали за време и др. (SSR – Space State Representation). Предимството на SSR пред OSR е възможността за по-цялостно моделиране на грешките поради прилагането  на недиференцирани измервания; както е известно, при формиране на разлики и комбинации между ГНСС измервания някои параметри се елиминират чрез съкращение (скали за време, йоносферна рефракция и др.) и изпускане на членове, което осигурява високоточни резултати само в близка околност на базовата станция, които след това бързо деградират (Wübbena, 2012).

3.    Съвременно състояние на метода PPP

Основните фактори, които ограничават точността на автономните ГНСС измервания са грешките в потребителската и спътниковата скали за време, орбитите на спътниците, йоносферната и тропосферната рефракция. При метода PPP тези ограничения се преодоляват на базата на точни данни за спътниковите орбити и скали за време, предавани в реално време към подвижните приемници. Йоносферното влияние се елиминира чрез коефициентите на Klobuchar в навигационното съобщение (при кодови приемници), чрез двучестотни ГНСС приемници или чрез достъп до йоносферни корекции в реално време.

Концепцията на метода PPP ще бъде илюстрирана чрез математическото му представяне за двучестотни фазови ГНСС измервания и прилагане на независимата йоносферна комбинация. Уравненията на фазовите измервания между спътник s и приемник r имат вида:

L₁^s_r = ρ_^sr + c(δ_r – δ^s)+a₁I^s_r+T^s_r+B₁^r_s+rel^s_r + ω_L1+m^s_L1,r +ε^s_L1,r  ,                       (1.1)

L₂^s_r = ρ_^sr + c(δ_r – δ^s)+a₂I^s_r+T^s_r+B₂^r_s+rel^s_r + ω_L2+m^s_L2,r +ε^s_L2,r  ,                       (1.2)

където L_i – фазово измерване, изразено в метри; ρ  – геометрично разстояние между спътника и приемника, δ_r – грешка в скалата за време на приемника, δ^s – грешка в спътниковата скала за време, , I  – йоносферно закъснение,T  – тропосферно закъснение, B_i  – цикличен параметър ( B_i=ki_r +k_i^s+λ_iN_i, където k₁  – плаващи компоненти на фазовите закъснения вследствие на спътниковата и приемателната електроника, λ_i  – дължина на вълната на носещата честота, N_i  – целочислени компоненти на цикличния параметър), rel  – релативистичен ефект, ω  – грешка заради поляризацията на сигнала, m – грешка заради ефекта на многопътност, ε – случаен шум.

Независимата йоносферна комбинация има вида:

,                   (1.3)

чрез което йоносферният параметър е елиминиран, като след прилагане на корекции за грешките в спътниковите скали за време  и орбити (съдържащи се в ), и моделиране на тропосферното влияние, неизвестните параметри в дясната част на уравнението остават координатите на точката (също съдържащи се в параметъра ), грешката в скалата за време на приемника  и цикличния параметър B. При необходимост от дециметрова точност цикличните параметри се определят като плаващи стойности, а останалите неизвестни параметри могат да се изпуснат.

Определянето на неизвестните параметри от подвижните приемници в реално време се извършва чрез оценка с Калманов филтър. Обработката се извършва чрез прилагане нa корекции към грешките по метода SSR, чрез търсене на задоволителна корелация между две траектории на спътниковите орбити: референтна (определена чрез получени от външни източници данни) и измерена. Процесът налага период на първоначална инициализация, през който спътникът изминава достатъчен за точна и надеждна оценка път по своята орбита. Продължителността на инициализацията варира в зависимост от начина на нейното определяне – статично, кинематично или върху известна точка, отдалечеността на мрежовите перманентни станции, броя и геометричното разположение на спътниците, условията на многопътност и др.

Данните за спътниковите орбити и скали за време се предават към потребителите чрез наземна комуникация или посредством геостационарни спътници. Преносът на данни се извършва чрез стандартни или кодирани формати. За целта широко използваният стандартен формат RTCM е разширен поетапно за нуждите на метода PPP чрез нови съобщения, подпомагащи предаването на SSR корекции (Schmitz, 2012):

• I етап – съобщения за прецизни орбити, скали за време, кодови инструментални закъснения (DCB) и индикатори за качество (URA). Реализиран е през 2011 г. с въвеждане на RTCM SSR съобщения 1057-1068, валидни за системите GPS и ГЛОНАСС. Този етап осигурява прецизно определяне на положение с двучестотни ГНСС приемници;
• II етап – съобщения с вертикални йоносферни корекции (VTEC) и плаващи компоненти на фазовите закъснения. Този етап ще осигури възможност за PPP в реално време с едночестотни приемници;
• III етап – съобщения с насочени йоносферни корекции (STEC) и тропосферни корекции. Този етап ще осигури възможност за фиксиране на цикличните параметри в реално време и работа със сантиметрова точност, т.е. конвергенция между методите PPP и RTK (PPP-RTK).

Табл. 1. Списък с RTCM съобщения, приети от работната група RTCM-SSR през м. май 2011, с цел стандартизиране на предаване на корекции към отделните компоненти на ГНСС грешките и подпомагане на определянето на местоположение по метода PPP.

Източниците на SSR корекции за нуждите на метода PPP се разделят на две основни категории: научно-изследователски и комерсиални.

3.1.                 Некомерсиални източници

В световен мащаб най-голямо покритие и усъвършенствана функционалност има мрежата от перманентни станции на международната служба IGS (International GNSS Service). Продуктите на тези станции се използват отдавна при последваща обработка на ГНСС измервания и имат много широка област на приложение – поддържане на международната земна референтна система ITRS, изследване на глобални и регионални геодинамични процеси, създаване на изходна геодезическа основа в изолирани райони от земното кълбо и др. В режим, близък до реално време, продуктите на IGS също не са новост – прогнозни данни за спътниковите орбити и скали за време (формат SP3) с точност съответно 5 cm и 3 ns и период на актуализация 6 часа са достъпни от сървърите нa нейните изчислителни центрове.

Във връзка с подобряването на качеството и разширяване на предлаганата гама от продукти и услуги, през октомври 2007 г. IGS стартира проекта RTPP (Real Time Pilot Project). еволюирал през 2013 г. до услугата в реално време IGS Real-time Service (RTS), която предлага канали с три независими продукта – IGS01, IGS02 и IGS03 (Фиг. 1, колона mountpoint). По същество те преставляват мрежови продукти с данни за спътниковите орбити и скали за време, генерирани от над 60 станции, избрали да участват в този проект. Продуктите се предават през стандартизирания протокол за пренос на RTCM формат през интернет – NTRIP.

Софтуерът за достъп до потоците данни „BNC“ е безплатен и е наличен за изтегляне от https://igs.bkg.bund.de/ntrip/download, след регистрация. Функционалността му включва свързване с доставчици на мрежови диференциални, RTK и PPP данни през интернет в реално време, преобразуване и записване на RTCM потоци в RINEX формат, комбиниране на корекции от различни източници и изследване на ефекта върху точността на ГНСС измерванията и др. Чрез BNC се генерират два от продуктите на IGS RTS – IGS02 и IGS03, последният включващ и съобщения за системата ГЛОНАСС.

Фиг. 1. Екранен изглед, показващ списък на мрежовите продукти на службата IGS, включващ наименование на продукта (колона mountpoint), формат за пренос (колона format), включени съобщения (format-details)  и др.

3.2.                  Комерсиални източници

Продуктите на комерсиалните източници се създават чрез мрежи от собствени базови станции с глобално разпространение. Предават се чрез геостационарни комуникационни спътници – собствени или наети. Този тип ГНСС са известни като GSBAS (Global Satellite Based Augmentation Systems) (Chaochao, 2012). Данните им са достъпни срещу заплащане на абонамент. Най-големият световен доставчик на GSBAS услуги е Trimble чрез дъщерната си компания OmniSTAR, закупена през 2011 г.  OmniSTAR осигурява корекции за работа в реално време с четири нива на точност (Табл. 2):

• виртуална базова станция (VBS) – базира се на разстоятелни корекции към кодовите ГНСС измервания, генерирани по метода DGPS. Услугата осигурява субметрова точност, валидна на разстояния до 1000 km от най-близката перманентна станция на OmniSTAR. Корекциите се предават по стандартния формат RTCM 2.1;
• разширена услуга (XP) – базира се на данни, генерирани по метода PPP. Корекциите към подвижните (двучестотни) приемници са под формата на информация за спътниковите орбити (с честота на предаване 1 min) и за неточните им скали за време (с честота 10 sec). Предават се по кодиран формат, поддържан само от определени ГНСС устройства.
• високоточна услуга (HP) – базира се на предаване на двучестотни кодови и фазови корекции. Корекциите се предават също в кодиран формат, поддържан само от определени ГНСС устройства. Осигуряваната точност на услугата е до 10 cm. Това се постига чрез определяне на неизвестните параметри в подвижните (двучестотни) приемници – циклични параметри, координати, тропосферна рефракция и грешка в потребителската скала за време, като плаващи числа, което е възможно на разстояние до 1000 km от референтните станции на мрежата. Поддържа и корекции към спътниците от ГЛОНАСС (OmniSTAR G2) със същата точност.

Табл. 2. Продукти за прецизно определяне на местоположение в реално време на компанията OmniSTAR.

Име на продукта	Тип на корекциите	Начин на предаване	Покритие	Точност	Инициализация
OmniSTAR VBS	DGPS			< 1 m	< 1 минута
OmniSTAR XP	PPP			8-10 cm	10 min – 30 cm 15 min – 20 cm 30 min – max
OmniSTAR HP	Фазови			5-10 cm
OmniSTAR G2	Фазови			8-10 cm

Източник наданните:https://www.trimble.com/agriculture/CorrectionServices/mid-accuracy.aspx.

За осъществяване на услугите OmniSTAR разполага с над 100 глобално разположени станции (Фиг. 2). При активиране на всяка от услугите, потребителите предоставят и данни за своето приблизително местоположение, с което се осигурява получаване на корекции от всички мрежови станции наоколо и извършване линейна интерполация за получаване на максимална точност.

Фиг. 2. Разположение на станциите от системата OmniSTAR и покритие на отделните спътници

Източник: https://www.omnistar.com/Support/OmniSTARSatelliteInfo.aspx

Корекциите се модулират върху носещи сиюююгнали с честота 1531-1559 MHz и скорост на предаване 1200 bit/s, които се предават чрез няколко комерсиални геостационарни спътника, покриващи 90% от земната повърхност, с изключение на северните и южните полярни области. За територията на Европа корекциите се предават от спътника ESAT (Фиг. 3).

Фиг. 3. Схема за генериране на услугите на OmniSTAR

Посочените по-горе услуги се реализират чрез прилагане поотделно на фазови и PPP методи. Повишаването на точността на метода PPP може да се постигне основно с данни за йоносферната рефракция в реално време. Тези данни могат да бъдат получени от наземно разположени базови мрежови инфраструктурни станции, напр. ползваните от доставчиците на RTN услуги – VRS, FKP и MAC. Това води до своеобразна конвергенция между методите RTK и PPP и появата на нов метод: PPP-RTK (Schrock, 2012), позволяващ фиксиране на цикличните параметри в реално време на големи разстояния от мрежовите базови станции. В зависимост от типа на използваните корекционни модели съществуват редица модификации на PPP-RTK. Така например, използването на йоносферни корекции в реално време от мрежа базови станции с достатъчна гъстота осигурява възможност за елиминиране на йоносферните грешки не чрез метода OSR и прилагане на фазови разлики и комбинации (напр. независимата йоносферна комбинация, даваща възможност за фиксиране на циклични параметри до 10-15 km от базовите станции), а чрез SSR, с прилагане на недиференцирани фазови измервания. Основните предимства на този подход е значителното скъсяване на времето за инициализация и повишаване на точността, при сравнително по-ниска цена на предлагана услуга (Schrock, 2012). Пример за приложение на метода PPP-RTK е услугата Trimble CenterPoint^TM RTX^TM. Услугата е налична глобално с точност под 10 cm, като в района на т. нар. зърнен пояс (щатите Айова, Небраска, Илинойс и части от съседните им), поради гъстото разположение на наземните станции – 80 станции за територия около четири пъти по-голяма от България, създаваните атмосферни модели позволяват постигане на точност под 4 cm с време на инициализация под 1 минута.

Табл. 3. Trimble CenterPoint RTX – регионална услуга за определяне на местоположение в реално време с висока точност

Име на продукта	Тип на корекциите	Начин на предаване	Покритие	Точност	Инициализация
CenterPoint RTX	PPP-RTK			3.8 cm	< 1 минута

Фиг. 4. Разположение на базовите станции на Trimble CenterPoint RTX в района на „зърнения пояс“ – САЩ

Очакваното бързо развитие на услугите по метода PPP-RTK, в частност тези на Trimble, ще бъдат налични в близко бъдеще на много места с развита мрежова ГНСС инфраструктура с достатъчна гъстота.

4.    Приложение на PPP и PPP-RTK в услугите за позициониране в реално време на Trimble

4.1.                Картиране, кадастър, ГИС

Корекциите на OmniSTAR са приложими във всички области, в които се изисква дециметрова точност и независимост от покритието на мобилен интернет, сред които:

• Теренно проучване на условията за земеделски и лесоустройствени приложения;
• Събиране на ГИС данни;
• Откриване на подземна инфраструктура – кабели, тръбопроводи и др.;
• Измерване на граници;
• Управление на бедствия и аварии;
• Напоителни проучвания;
• Ландшафтни проучвания;
• Картиране на утилити инфраструктура;
• Картиране на природни ресурси.

4.2.                 Земеделие

Компанията OmniSTAR предлага услуги за земеделските производители от далечната 1994 г. Това дава възможност на стопаните да минимизират разходите за производство на качествена земеделска продукция в големи количества – от засяване до жътва. Основните направления за прилагане на OmniSTAR корекции са за контрол при:

• Автоматично управление на земеделска техника;
• Определяне дълбочина на оран;
• Редова сеитба;
• Опробване на почви;
• Картиране на парцели, граници и др.;
• Прецизно поливане и др.

4.3.                 Строителство и минно дело

Надеждно и високопроизводително определяне на местоположение на подробни геодезически точки, сондажни отвори, управление на строителни машини и др. Услугите на OmniSTAR са широко използвани за геодезическо осигуряване на сеизмични изследвания за търсене на нефт и газ, особено в изолирани райони като Северна Африка и Камбоджа  (Камбуров, 2012). Прилагат се в инженерно-геодезически работи по изграждане на пътна инфраструктура, сгради, съоръжения и др.

Сред поддържащите OmniSTAR устройства на Trimble в сегмента „Картиране и ГИС“ е класическият ГНСС приемник GPS Pathfinder ProXRT, а от клас „Строителство“ – новият уред Trimble SPS985 (Табл. 4):

Табл. 4. ГНСС приемници на Trimble в сегментите „Картиране и ГИС“ и „Строителство“, поддържащи корекции от OmniSTAR

* Технология на Trimble за следене на P кода по носещата честота L2.

Освен тези, в сегмент „Картиране и ГИС“ се поддържат приемниците Trimble Pathfinder ProXRS. Поддържащите OmniSTAR приемници на Trimble от други търговски сегменти включват:

• Сегмент „Земеделие“: AgGPS AutoPilot, FmX Integrated Display, CFX-750 Display, EZ-Guide 500, AgGPS 542, 332, 252, 132, 114;
• Сегмент“Строителство“: SPS-850, SPS-750, SPS-550, DSM 132, DSM 232.

Използваните към момента ГНСС методи в реално време са систематизирани най-общо в Табл. 5, подредена спрямо осигуряваните от тях производителност, точност, и необходимите за постигането им разходи.

Табл. 5. Преглед на основните ГНСС методи за работа в реално време

* ETRS89 е геодезическата координатна система, в която е дефинирана Българската геодезическа система 2005. Съгласно Чл. 8. от НАРЕДБА № 2 ОТ 30 ЮЛИ 2010 Г. ЗА ДЕФИНИРАНЕ, РЕАЛИЗАЦИЯ И ПОДДЪРЖАНЕ НА БЪЛГАРСКАТА ГЕОДЕЗИЧЕСКА СИСТЕМА на МРРБ: „Българската геодезическа система 2005 се материализира чрез точките от Държавната GPS мрежа и постоянно действащите GNSS станции, определени в ETRS89, Епоха 2005. 0.“

**ITRF2008 е актуалната към момента координатна система, реализираща международната земна референтна система ITRS. В процес на подготовка е нова реализация на системата – ITRF2013 (https://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2013). В рамките на точността на метода PPP, към 2013 година координатните разлики между ETRS89 2005.0 и ITRF2008 са все още пренебрежимо малки.

Анализът на таблицата дава предимства на методите със спътниково предаване на корекции (PPP) за редица практически приложения в сферата на картирането, съдаването и поддържането на ГИС, строителството, кадастъра и др., поради:

• Липса на голям брой поддържащи ги ГНСС станции, което резултира в по-ниска цена за абонамент;
• Разпространение на корекциите през ефира, което облекчава работата в отдалечени и труднодостъпни райони с липса на мобилен интернет;
• Достатъчна точност

5.      Заключение

При избор на ГНСС метод и оборудване за извършване на конкретни приложения е необходим широк поглед върху съвременните технологични постижения. Те показват тенденции към постепенно изоставяне на традиционните RTK методи с мрежови базови станции и все по-засилващо се навлизане на прецизните единични методи за определяне на местоположение (PPP). Добър пример за това са различните видове услуги, предлагани от OmniSTAR, които са налични както в глобален мащаб, така и за територията на България.

Използвана литература

Schrock G. (2012).After RTK – Part 1.Will advances in Precise Point Positioning succeed base-rover and network RTK? Professional Surveyor Magazine. June 2012.

Héroux P., Kouba J. (1995). GPS Precise Point Positioning with a Difference. Geomatics ‘95, Ottawa, Ontario, Canada, June 13-15, 1995.

Schmitz М. (2012). RTCM State Space Representation Messages, Status and Plans. PPP-RTK & Open Standards Symposium, Frankfurt, Germany. March 12-13, 2012.

Chaochao W., Hatch R. (2012). StarFire^TM GNSS: The Next Generation StarFire Global Satellite Based Augmentation System. NavCom White Paper.

Wübbena G. (2012). RTCM State Space Representation (SSR) Overall Concepts Towards PPP-RTK.  PPP-RTK & Open Standards Symposium. Frankfurt, Germany. March 12-13, 2012.

Камбуров А. Приложение на метода WARTK в съвременните 2D и 3D сеизмични проучвания за търсене на нефт и газ. Докторска дисертация. Защитена на 30 май 2012. София, МГУ.