Pomiary RTK / DGPS

Ze względu na dokładność oraz stosowaną technologię, pomiary różnicowe w czasie rzeczywistym dzielimy na pomiary RTK (ang. Real-Time Kinematic) oraz pomiary DGPS (ang. Differential GPS).

Pomiary RTK – serwis NAWGEO

Termin RTK odnosi się do metody fazowych pomiarów satelitarnych, w których pozycja wyznaczona przez odbiornik mobilny poprawiana jest w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem danych obserwacyjnych wysyłanych ze stacji bazowej.

Obserwacje wykonywane przez odbiornik GNSS ze względu na błędy pomiarowe spowodowane głównie wpływem atmosfery ziemskiej, mają ograniczoną dokładność. Błędy te mogą być wyznaczone gdy odbiornik wykonujący pomiary zostanie ustawiony na punkcie o znanych współrzędnych. Poprzez porównanie odległości mierzonej (od satelity nawigacyjnego do odbiornika GNSS) z odległością teoretyczną, wyliczoną na podstawie parametrów orbity satelity nawigacyjnego oraz współrzędnych punktu pomiarowego odbiornik jest w stanie wyliczyć korekty do mierzonych odległości oraz zmiany współrzędnych. Odbiornik wykonujący obserwacje w celu wyliczenia korekt pomiarowych oraz mający możliwość wysłania tych informacji np. drogą radiową (UHF) lub GSM (GPRS) nazywamy odbiornikiem bazowym lub stacją referencyjna.

Błędy pomiarowe towarzyszące pomiarom satelitarnym charakteryzują się tym, że na pewnym obszarze ich zmienność jest na tyle mała że nie ma znaczącego wpływu na dokładność pomiaru. W związku z powyższym przy pomiarach różnicowych mogą być wyeliminowane. Odbiornik mobilny wykonujący pomiary w terenie oraz odbierający poprawki do obserwacji GNSS (korekty) jest w stanie poprawić dokładność swoich wyznaczeń do poziomu pojedynczych centymetrów. Do błędów eliminowanych podczas pomiarów różnicowych (w tym RTK) zaliczamy:

  • Błąd zegara satelity i odbiornika
  • Błędy orbit satelitów
  • Opóźnienie jonosferyczne
  • Opóźnienie troposferyczne

W technice RTK, poza kodowymi obserwacjami sygnału satelitarnego, wykorzystywane są obserwacje fazowe. Odbiornik rejestruje dla każdego z sygnałów końcówkę (fazę) fali nośnej oraz zmianę liczby odłożeń pełnej długości fali (pełnych cykli fazowych) od momentu rozpoczęcia śledzenia satelity przez odbiornik (ΔNi). W procesie wyznaczania współrzędnych (inicjalizacji odbiornika) istnieje potrzeba wyznaczenia tzw. nieoznaczoności fazy N0, tj. nieznanej, przypadkowej początkowej liczby pełnych cykli fazowych sygnału GNSS, stałej dla nieprzerwanych pomiarów do danego satelity. Ze względu na dodatkową niewiadomą N0i w procesie wyznaczania współrzędnych, do pomiarów w trybie RTK niezbędne jest ciągłe obserwowanie 5 satelitów nawigacyjnych. Otrzymanie przez odbiornik danych ze stacji referencyjnej, poprzez minimalizację błędów pomiarowych, znacznie przyspiesza proces inicjalizacji.

Wysoka dokładność uzyskiwana w tej metodzie opiera się na wykorzystaniu do pomiaru odbiorników dwuczęstotliwościowych (L1 i L2) rejestrujących fazy nośne sygnałów satelitów nawigacyjnych. Długości fal L1 i L2 wynoszą odpowiednio około 19 i 24 cm. Wysokiej klasy sprzęt pomiarowy potrafi wyznaczyć fazę sygnału z dokładnością 1% długości obserwowanej fali. Aktualnie na rynku pojawiają się również pierwsze odbiorniki do pomiarów RTK wykonujące pomiary na jednej częstotliwości (L1).

Na ostateczną dokładność uzyskiwanych współrzędnych duży wpływ ma otoczenie, w którym wykonywane są pomiary. Płaskie powierzchnie jak ściany budynków, duże zbiorniki wodne, parkingi samochodowe oraz linie wysokiego napięcia oraz szczątkowe błędy atmosferyczne powodują zmniejszenie dokładności pomiarów. Dodatkowym elementem ograniczającym dokładność jest także odległość od stacji referencyjnej – rozwiązaniem tego problemu okazały się poprawki powierzchniowe.

Poprawki powierzchniowe

Pomiary wykonywane w oparciu o pojedynczą stację referencyjną ograniczone są ze względu na odległość pomiędzy odbiornikiem mobilnym a stacją bazową. Błąd wyznaczenia pozycji rośnie wraz z odległością. Przyjmuje się że dla odległości do 5 km można wykonywać pomiary bez znacznej utraty dokładności. Dodatkowymi ograniczeniami pomiarów RTK jest także potrzeba posiadania drugiego odbiornika (ustawianego na punkcie o znanych współrzędnych) oraz radiomodemu lub modemu GSM (GPRS) do transmisji poprawek.

Aby zwiększyć obszar w którym mogą być wykonywane pomiary RTK, pojedyncze stacje referencyjne łączone są w sieć, która jest zarządzana przez centrum obliczeniowe. W systemie ASG-EUPOS średnie odległości pomiędzy stacjami referencyjnymi wynoszą obecnie ok. 70 km. Gromadzone na nich dane obserwacyjne transmitowane są do centrum obliczeniowego, gdzie następuje wyliczenie korekt obserwacyjnych. Poprawki wyliczane w oparciu o grupę stacji rozłożonych na pewnym obszarze, nazywamy poprawkami powierzchniowymi lub sieciowymi.

W przypadku serwisu NAWGEO w ręce użytkownika oddane są następujące rodzaje poprawek powierzchniowych:

  • MAC (Net) ang. Master and Auxiliary Concept
  • VRS ang. Virtual Reference Station
  • FKP niem. Flächenkorrekeurparameter

Aby skorzystać z wybranego rodzaju poprawki, użytkownik powinien podłączyć się do systemu i wybrać odpowiedni punkt podmontowania tzw. mountpoint. W momencie połączenia odbiornik użytkownika wysyła do centrum obliczeniowego depeszę NMEA GGA (ang. The National Marine Electronics Association) zawierającą informację o swojej przybliżonej pozycji. Informacja ta jest niezbędna, aby określić stacje referencyjne znajdujące się w jego otoczeniu. W odpowiedzi użytkownik otrzymuje dane korekcyjne zapisane w formacie RTCM (ang. Radio Technical Commision For Marine Services). Dane korekcyjne interpolowane dla użytkownika mają „ważność” dla obszaru o promieniu 5 km względem podanych współrzędnych przybliżonych.

Poniżej znajdują się interpretacje graficzne prezentujące zasadę działania poszczególnych rodzajów poprawek serwisu NAWGEO:


MAC. Źródło: na podstawie http://leica.loyola.com/rtk-net/max-imax.html

MAC (Net)

W przypadku poprawki MAC, po wysłaniu depeszy NMEA, do użytkownika docierają obserwacje z głównej stacji bazowej oraz ich różnice wyznaczone na podstawie obserwacji z otaczających stacji referencyjnych. Obliczenia częściowo wykonywane są przez centrum obliczeniowe (poprawki z głównej stacji ref. i pochodne ze stacji sąsiednich), natomiast interpolacja poprawki do przybliżonej pozycji odbiornika mobilnego wyznaczana jest przez oprogramowanie zainstalowane w sprzęcie pomiarowym użytkownika.


VRS. Źródło: Trimble VRS Brochure

VRS

W przypadku VRS, oprogramowanie w odbiorniku współpracuje z centrum obliczeniowym, tak jakby pobierało dane z pojedynczej stacji referencyjnej, nazywanej wirtualną stacją referencyjną. Wartości korekt obserwacyjnych, wyliczane są w centrum obliczeniowym, poprzez interpolację poprawek z otaczających stacji referencyjnych, do przybliżonej pozycji odbiornika, przesłanej w depeszy NMEA GGA.


FKP. Źródło: "Development of Network-Based RTK-GPS Positioning System Using FKP Via a TV Broadcast in Japan" H. Namie, K. Nishikawa, K. Sasano, C. Fan, A. Yasuda

FKP

W przypadku poprawki FKP do odbiornika przesyłane są współczynniki równań powierzchni opisujące zmienność poprawki dla danego satelity nawigacyjnego w ograniczonym obszarze. Rolą oprogramowania w odbiorniku jest odebranie współczynników równania i wprowadzenie jako niewiadomych współrzędnych przybliżonych. W rezultacie dla wszystkich satelitów nawigacyjnych określane są wartości danych korekcyjnych. Oprogramowanie w centrum obliczeniowym odpowiedzialne jest za przygotowanie współczynników opisujących zmienność poszczególnych poprawek w obszarze wyznaczonym przez wybrane stacje referencyjne.

Pomiary DGPS – serwisy KODGIS i NAWGIS

Termin DGPS odnosi się do metody różnicowych pomiarów satelitarnych GPS. W przypadku prac wykonywanych w czasie rzeczywistym terminu tego używa się w odniesieniu do kodowych pomiarów satelitarnych, w których wyznaczona pozycja, tak jak w pomiarach RTK poprawiana jest na bieżąco o dane korekcyjne.

W odróżnieniu od RTK, DGPS jest prostszą techniką wyznaczania współrzędnych, bazującą przede wszystkim na pomiarach kodowych tzn. nie istnieje potrzeba wyznaczenia nieoznaczoności (procesu inicjalizacji). Do określenia współrzędnych wystarczają już 4 satelity nawigacyjne. Dokładności uzyskiwane tą techniką zależą głównie od odległości od stacji bazowej.

Pomiary kodowe znajdują zastosowanie przede wszystkim w nawigacji, turystyce oraz gromadzeniu danych dla systemów GIS.