Как передаются поправки в ГНСС-приемники с функцией RTK
Базовая станция ГНСС – стационарное устройство для непрерывного обеспечения ГНСС-приемников измерительной и корректирующей информации для постобработки и высокоточного позиционирования в реальном времени.
Ровер-приемник – ГНСС-приемник, принимающий корректирующие данные от базовой станции для вычисления высокоточного позиционирования в реально времени или для постобработки.
Мастер-приемник – приемник, применяемый при установке двухантенного решения, который принимает поправки от базовой станции и вычисляет координаты, а также передает корректирующую информацию в ровер приемник для вычисления курса (угол между вектором Мастер – Ровер-антенн и вектором Мастер-антена – Северным полюсом – рис.1).
Рисунок 1.1 – Курс по двум ГНСС-антеннам
Для работы в RTK режиме (Real-time-kinematic – вычисление координат с сантиметровой точностью в реальном времени) необходимы:
– ГНСС-приемник (Ровер) с функцией RTK (например, в составе ИНС ГКВ-11 или ГКВ-12);
– базовая станция с функцией вычисления корректирующей информации для ГНСС-приемника Ровера;
– канал для передачи этой информации.
Рисунок 1.2 – Базовая станция ГНСС
Формат и типы сообщений для RTK ГКВ-11 и ГКВ-12
В ГКВ-11 с функцией RTK и ГКВ-12 установлен ГНСС-приемник ublox ZED-F9P, который обрабатывает две несущие частоты L1/L2 с алгоритмами работы в режиме RTK.
Для того чтобы Мастер-приемник вычислял координаты в RTK, ему нужны корректирующие поправки. Выработан стандарт RTCM 10403.3 для передачи этих поправок. На рисунке 2 изображены типы принимаемых сообщений по стандарту RTCM 10403.3 версия 3 и старше.
Рисунок 2 – Типы сообщений принимаемых ZED-F9P
Для работы в режиме RTK роверу необходимы корректирующие данные:
– координаты базовой станции (RTCM 1005 или 1006);
– данные наблюдений по созвездиям GPS, GLONASS, GALILEO, BeiDou;
– при использовании ГЛОНАСС, обязательно использовать типы RTCM 1230 или 1033.
RTCM 1230 и 1033 это типы данных, в которых передаются поправки для вычисления неоднозначностей и невязок для решения навигационной задачи по созвездию (группировки) ГЛОНАСС. Для GPS и BeiDou тип данных будет иной.
Базовая станция ГНСС может быть настроена на выдачу сообщений RTCM 1005, 1074, 1084, 1094, 1124, 1230 с частотой 1 Гц. Эти сообщения передают корректирующую информацию по всем ГНСС-созвездиям. Если пропускная способность приемо-передающего канала поправок ограничена, возможно использовать часть созвездий.
Приемник ZED-F9P может передавать корректирующие данные (работать в режиме базовой станции). Выдаваемые типы сообщений в RTCM отображены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Список выдаваемых сообщений ZED-F9P в формате RTCM
Настройки можно посмотреть по видео (Setting up a RTK Base Station) с 5 минуты по 8ую или в документации на модуль (ZED-F9P_IntegrationManual_(UBX-18010802) – 3.1.5.5 Stationary base operation).
Вычисление начальных координат возможно двумя способами: с помощью применения режима набора данных за выбранный временной интервал (survey-in) или установки фиксированных координат (например собрать сырые данные и с учетом координаты внешней базовой станции вычислить координаты текущей станции в постобработке).
Точность измерения координат
Точность измерения зависит от:
– количества и качества ВЧ каналов ГНСС-приемника и встроенных алгоритмов, т.е. непосредственно от точности ГНСС-приемника;
– антенны;
– вычисления референсной точки базовой станции (точной координаты базовой станции);
– расстояние от базовой станции ГНСС до ровера (1 ppm × L, где L – расстояние между антеннами базовой станции и ровера);
– внешних влияний (переотражение, время с последней поправки).
По заявлению изготовителя UBLOX ГНСС-приемник ZED-F9P обеспечивает точность вычисления координат 0,01 м CEP (Круговое вероятное отклонение) в режиме RTK.
Патч-антенны обладают менее стабильным фазовым центром, который может быть смещен земляным подслоем (рисунок 4), поэтому обычно они не используются в геодезических приборах.
Рисунок 4 – Смещение фазового центра патч-антенны
При использовании антенны вне плотной застройки, а также при вычислении координат стационарной базовой станции, ошибка смещения фазового центра списывается вместе с нахождением координат базовой станции (по факту именно фазового центра антенны), влияние переотражение – отсутствует.
Базовая станция ГНСС. Архитектура.
Есть базовая архитектура:
– ГНСС-приемник с внешней активной антенной;
– одноплатный компьютер (забирает данные с базовой станции и перенаправляет на передачу);
– УКВ модем (433 МГц) с внешней активной антенной;
– модем сотовой связи (GSM , 3G, LTE);
– аккумулятор (емкость в необходимой зависимости от длительности автономной работы);
– тринога (по необходимости).
Методы передачи поправок от базовой станции
1. Радиоканал в УКВ диапазоне
Передача поправок производится через радиоканал в диапазоне 410-470 МГц (для большинства устройств). Встроенные в базовые приёмники радиомодемы имеют мощность до 4-5 Вт и комплектуются компактными (до 30 см) антеннами для работы на небольших расстояниях. Для увеличения дальности работы применяют внешние радиомодемы мощностью до 35-40 Вт с отдельным питанием и бо́льшими по размеру антеннами (до нескольких метров), как правило на отдельном основании.
Достоинства:
– при работе в дали от населённых пунктов с покрытием сотовой связи, является единственно-возможным вариантом работы;
– нет необходимости в сторонних организациях.
Недостатки:
– радиус действия ограничен дальностью которую может обеспечить радиомодем с учётом места его установки и особенностей местности;
– возможен конфликт сообщений при работе с более чем одной станцией на одном канале.
Внимание – использование УКВ модема с мощностью более 10 мВт для диапазона 433 МГц должно быть лицензировано в ГКРВ. Рекомендуется не использовать их близко к городам, т.к. это может создать помехи для другой техники, работающей на тех же частотах, и возможна не стабильная передача поправок на ровер.
Ссылки на оборудование:
– от Ориент Системс;
– от Геодетика;
При работе через УКВ можно обойтись без одноплатного компьютера, тогда базовая станция будет состоять из ГНСС-приемника, посылающего поправки напрямую через УКВ.
2. Сотовые сети CSD
CSD (Circuit Switched Data в переводе с англ. — «Данные с Коммутацией Каналов»). Передача поправок с базовой станции производится напрямую, посредством “дозвона” ровера на номер сим-карты установленной в GMS терминале этой базы. До 2010 года метод пользовался популярностью, но после 2010 сотовые операторы постепенно начали прекращать поддержку данного сервиса, оставляя его на одном из тарифов для IoT-устройств.
Достоинства:
– большой радиус действия (ограничен покрытием сети);
– относительная простота настройки оборудования — требуется ввести телефонный номер базы.
Недостатки:
– на 2020 год необходимость заключать дополнительный договор с оператором сотовой связи или переходить на тариф с поддержкой данного сервиса;
– в отличие от других вариантов, работа с базой одномоментно возможна только с одного ровера.
3. Сотовые сети c использованием Интернет (3G, LTE)
3.1 NTRIP
NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol в переводе с англ. — «Сетевой транспорт RTCM по интернет-протоколу»). Представлен в сентябре 2004 Немецким агентством 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 базовой станции производится через компьютер с белым (статическим) IP-адресом, на котором установлено специальное ПО. Описание протокола определяет 4 базовых компонента системы:
- Mountpoint (точка доступа или источник поправок) — сам приёмник, работающий в режиме база и генерирующий RTCM поправки;
- NTRIP-server (сервер) — осуществляет доставку пакетов от источника до кастера. Для разграничения доступа используется комбинация точки доступа и пароля;
- NTRIP-caster (кастер) — компонент системы отвечающий за коммутацию пакетов между базой и роверами. По сути это HTTP-сервер, поддерживающий некоторые HTTP-сообщения типа запрос/ответ, и настроенный для потоковой передачи данных с низкой пропускной способностью (от 50 до 500 байт/сек. на поток);
- NTRIP-client (клиент) — осуществляет забор пакетов с поправками посредством запроса на IP-адрес:порт кастера c указанием точки точки доступа (mountpoint) имени пользователя и пароля.
Существуют приёмники с интегрированной функциональностью кастера, которые могут обеспечить небольшое число роверов (обычно до 10-30). Как правило, устанавливаются стационарно, подключаясь к сети интернет через роутер с настройкой переадресации портов, на которых настроен кастер, и прямым IP адресом.
Существуют интернет-сервисы, предоставляющие функционал кастера с интуитивно понятной настройкой. Для работы потребуется своя или “дружественная” база c GSM и свой ровер, и небольшая абонентская плата (сопоставимая со стоимостью интернет тарифа мобильного оператора).
Достоинства:
– радиус действия соответствует зоне покрытия интернет;
– возможно построение разветвлённой сети с автоматическим выбором ближайшей базовой станции на основе текущих координат ровера;
– существуют сети передачи поправок, покрывающие значительные территории и требующие для работы конечного пользователя только одного ГНСС-приёмника — ровера;
– возможна передача сообщений RTCM 1021-1027 от сети поправок, позволяющих определить параметры местной системы координат конечному пользователю.
Недостатки:
‑ присутствие, в отличие от CSD или радио, третьего компонента — кастер и 2х каналов передачи данных, что несколько снижает надёжность всей системы;
– высокая сложность настройки полного собственного решения (caster+server+client), если приёмник не оснащён кастером.
Бесплатный сервис для подключения RTK2GO.
3.2 TCP
Способ аналогичный NTRIP, но отсутствует возможность управления потоками данных. В интернете стоит HTTP-подобный сервер, способный принимать и отправлять данные по одному или нескольким портам без какого-либо разбора передаваемой информации.
Достоинства:
– простота настройки;
– радиус действия соответствует зоне покрытия интернет.
Недостатки:
– отсутствие какого-либо контроля за маршрутизацией и доступом;
– присутствует (в отличие от CSD или радио) третий компонент — кастер и 2 канала передачи данных, что несколько снижает надёжность всей системы.
Для работы через сотовые сети маршрутизацию потоков выполняет одноплатный компьютер либо ноутбук. Для реализации передачи через NTRIP или TCP можно воспользоваться свободным ПО пакета RTKLIB: str2str (linux), strsrv (windows).
