Статьи

Новые горизонты технологии GSM RTK

Технология определения пространственных координат с помощью спутниковых геодезических измерений в режиме реального времени давно зарекомендовала себя как эффективное средство топографо-геодезического производства. В зависимости от используемого оборудования и методик, точность измерений может быть от нескольких метров при сборе и обновлении данных для ГИС-проектов до нескольких сантиметров и выше при выполнении высокоточных исполнительных съемок и разбивочных работ.

Традиционно корректирующие данные подвижному приемнику в режиме реального времени (технология RTK) передаются от базового приемника с помощью радиомодемов УКВ-диапазона либо ретрансляторами со спутников уточняющих дифференциальных подсистем (EGNOS, WAAS, MSAS и др.) — технология DGPS.

В последнее десятилетие широкому применению технологии RTK в геодезии способствует активное развитие средств мобильной связи, территории покрытия которыми постоянно расширяются. Средства мобильной связи имеют малый вес и размер, не требуют оформления разрешений на использование радиочастот, их операторы предлагают достаточно гибкие тарифы связи, и они находят широкую поддержку со стороны производителей спутникового геодезического оборудования.

С развитием сетей постоянно действующих базовых станций и внедрением сетевых решений по предоставлению различных дифференциальных сервисов, таких как VRS-сети и децентрализованные NTRIP серверы, спутниковые геодезические измерения в режиме реального времени выходят на новый качественный уровень.

Заявляемые производителями и подтвержденные многолетним опытом работ преимущества технологии RTK сомнений не вызывают. Однако ряд вопросов, касающихся как технологического характера, так и точности определения пространственных координат, порождает множество дискуссий и ложных предпосылок при выборе метода для проведения геодезических работ различного назначения и класса точности. К таковым можно отнести следующие основные позиции:

  • влияние качества исходных координат пунктов опорных геодезических сетей (как государственных, так и ведомственных);
  • наличие множества местных (региональных) плоских прямоугольных систем координат и отсутствие сведений о параметрах их задания;
  • эффективность использования мультисистемных спутниковых приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС;
  • специфика работы в сложных условиях (застроенная или покрытая густой растительностью территория);
  • необходимость строгого соблюдения требований нормативных документов и методических рекомендаций при измерениях.

Наряду с очевидными преимуществами, технологии RTK, основанные на использовании сотовых каналов связи, имеют специфические ограничения и недостатки. К ним относится остающееся актуальным неравномерное покрытие сотовой связью либо полное ее отсутствие на обширных «малообжитых» территориях, которые в геодезическом смысле такими не являются. Необходимость наличия специальной услуги, осуществляющей пакетную передачу данных (в случае использования голосовых каналов связи), или доступа к сети Интернет (GPRS) ставит эти работы в зависимость от качества услуг сотовой связи, ее стабильности и особенностей настроек у региональных операторов сетей.

Самостоятельным параметром, кардинально влияющим на точность спутниковых измерений как в режиме «статика», так и «кинематика», является удаленность подвижного приемника от базовой станции. Из многочисленных исследований и практического опыта пользователей геодезического GPS оборудования следует, что длина базовых линий при измерении в режиме «кинематика» не должна превышать 15–20 км. При увеличении дальности точность заметно снижается, а время инициализации — увеличивается. И это при прочих хороших условиях наблюдений — отсутствия препятствий для прохождения cигналов, достаточного количества спутников системы GPS и их благоприятного расположения на небосводе (геометрический фактор).

С появлением приемников ГНСС, работающих не только с системой GPS, но и с ГЛОНАСС (а в перспективе и с другими системами — Galileo (Евросоюз), COMPASS (Китай) и др.), ожидается заметное улучшение точности, оперативности и надежности измерений пространственных координат. С пополнением и окончательным вводом в строй системы ГЛОНАСС приемники ГНСС будут иметь возможность отслеживать около 20 спутников различных систем одновременно, что даст достаточную избыточность для высокоточных оперативных наблюдений.

Схема расположения контрольных станцийОбычно технология проведения топографо-геодезических работ подразумевает развитие геодезических сетей посредством GPS или GPS/ГЛОНАСС измерений в режиме «статика». На объекте определяются пространственные координаты нескольких точек, а дальнейшее сгущение съемочной планово-высотной сети осуществляется с помощью электронного тахеометра. Данная технология позволяет пользователям с достаточно высокой точностью и производительностью выполнять работы при удалении от базовой станции до 50–70 км при ис пользовании двухчастотного оборудования и 15–20 км — при использовании одночастотного оборудования. Также часть задач может быть решена в режиме «кинематика с постобработкой» (PPK) при наличии управляющего устройства в виде контроллера и несложных условий наблюдения.

Применение режима RTK имеет ряд преимуществ перед стандартной технологией: высокая производительность, контроль получаемых данных непосредственно в поле, в ряде случаев позволяющий отказаться от постобработки. Но расстояние от базовой станции в режиме RTK при использовании оборудования GPS обычно ограничивается 15–20 км.

Целью описываемого в статье эксперимента являлось исследование стабильности точности, оперативности и надежности спутниковых измерений с передачей корректирующих данных от базовой станции по технологии GSM RTK (с помощью GSM модемов), а так же оценка возможности выполнения работы оборудованием ГНСС при больших длинах базовых линий. В данном случае использовался GSM модем EFT, разработанный компанией «Эффективные технологии», и спутниковые приемники Trimble. Следует отметить, что мобильная связь потенциально дает возможность вести работу на значительном удалении от постоянно действующей базовой станции, но геометрические и физические условия спутниковых наблюдений не позволяют получить высокую точность и обеспечить оперативность измерений.

тахеометр Nikonтзк332, установленный на базеДля исследований было выбрано три участка с пятью контрольными станциями измерений, расположенными относительно базового приемника на расстоянии:

  • 15 и 20 км (контрольные станции 2 и 3) — приемлемая дальность для высокоточных измерений в режиме RTK;
  • 50 и 60 км (станции 4 и 5) — «рискованное» удаление подвижного приемника от базовой станции;
  • около 100 км (станция 6) — заведомо недопустимое расстояние до базовой станции для режима «кинематика», вообще, и для RTK, в частности.

Базовая станция (А) размещалась в Москве, в районе Останкино, и работала в режиме RTK с записью «сырых» данных. Места для контрольных станций выбирались с максимально открытым небосводом, вдали от объектов, которые могли создавать помехи. Станции измерений располагались в юго-восточном направлении: первые две — в районе Текстильщики — Выхино, следующие — вдоль Новорязанского шоссе. Кроме контрольных станций, данные с которых вошли в сводную таблицу исследований, имелись и промежуточные — вспомогательные станции, на которых оценивалось время инициализации.

В результате исследования определялась точность измерения пространственных координат контрольных точек стенда. Стенд представлял собой прямоугольный столик с пятью отверстиями (одно в центре и четыре по углам) для принудительного центрирования отражателя и спутниковых антенн. Геометрический центр каждого отверстия являлся контрольной точкой.

Координаты контрольных точек стенда определялись в локальной системе координат с их последующей редукцией на поверхность относимости стенда (горизонтальную плоскость, совпадающую с плоскостью столика) при постобработке. Установочные приспособления для принудительного центрирования обеспечивали постоянство элементов редукции на поверхность относимости стенда, что минимизировало ошибки, связанные с учетом высоты антенн и отражателя.

Комплект оборудования для исследований включал:

  • тахеометр Nikon NPR332 (рис. 2) с отражателем (мини призма);
  • приемник Trimble R7GNSS с GSM модемом EFT (устанавливался на базовой станции);
  • приемник Trimble R7GNSS — подвижный комплект (рис. 3);
  • приемник Trimble R8GNSS — подвижный комплект с GSM модемом (рис. 4);
  •  контроллер Trimble TSC2 — комплект установочных приспособлений для принудительного центрирования антенны спутникового приемника и отражателя;
  • прямоугольный столик с контрольными точками.

Работы в ходе исследования на каждой станции были организованы следующим образом.

1. Разбивка базиса длиной около 50 м. Он располагался примерно перпендикулярно направлению от базового приемника на контрольную станцию. На одной точке базиса размещался приемник ГНСС (и электронный тахеометр), а на противоположной (конрольной станции) — прямоугольный столик, закрепленный на штативе.

2. Измерения приемниками ГНСС в режиме «статика» в течение 1 часа на точках базиса. Антенна одного приемника (Trimble R7GNSS) устанавливалась на штативе, а второго (Trimble R8GNSS) — в центре столика, также закрепленного на штативе.

3. Измерение длины базиса и расстояний до контрольных точек стенда электронным тахеометром по отражателю.

4. Последовательные измерения пространственных координат на контрольных точках стенда приемником ГНСС (Trimble R8GNSS) в режиме GSM RTK. Время измерений на каждой из контрольных точек составляло не более 1 минуты. Выполнялось по одному измерению на каждой точке.

Таким образом, пространственные координаты контрольных точек стенда, вычисленные по спутниковым наблюдениям в режиме «статика» и измеренные электронным тахеометром, принимались за «эталонные» и использовались для оценки точности спутниковых измерений пространственных координатных точек в режиме GSM RTK. Оценивались как абсолютные знначения координат контрольных точек, полученных различными методами, так и относительные значения по диагоналям контрольных точек стенда. Длины диагоналей контрольных точек были измеренны мерной рулеткой и приняты за «эталонные».

В этой таблице приведены условия и точность наблюдений на контрольных точках стенда каждой станции по данным контроллера, которые показывают хорошую внутреннюю сходимость результатов измерений.

Условия наблюдения на контрольных точках

№ страниц

Расстояни до базовой станции, м

Среднее отклонение в плане, м

Среднее отклонение по высоте, м

 СКО, м 

Количество спутников

 PDOP 

Время инициализации, с

  2 

 14 800

 0,013

 0,020

 0,005 

 12-13

 1,6

 7

  3 

 18 400

 0,010

 0,016

 0,005 

 12-14

 1,6

 15

  4 

 47 100

 0,009

 0,170

 0,006 

 12-14

 1,6

 21

  5 

 56 900

 0,011

 0,180

 0,005 

 10

 2,4

 43

  6 

 101 900

 0,018

 0,250

 0,014 

 12-13

 1,8

 48

По результатам измерения пространственных координат контрольных точек в режиме GSM RTK и их «эталонным» значениям («Статика + тахеометр») были вычислены средние значения отклонения абсолютных значений координат точек в плане (δSср.) и по высоте (δHср.) на каждой станции.

№ контрольной точки на станции  δХ, м   δY, м  δH, м   δS, м   δSср., м   δHср., м 
 2_с   0,002   0,003   0,054   0,004   0,008   0,024 
 2_1   - 0,006   0,003   - 0,007   0,007     
 2_2   0,002   - 0,005   - 0,020  0,005     
 2_3   - 0,007   0,008   - 0,028   0,011     
 2_4   - 0,012  0,004  - 0,010   0,013     
 3_c   0,005   - 0,006   - 0,020   0,008   0,008   0,015 
 3_1   -0,003   0,001   - 0,007   0,003     
 3_2   0,005   - 0,012    0,015   0,013     
 3_3   0,008   - 0,005   - 0,008  0,009     
 3_4   0,002   - 0,008   - 0,010   0,008     
 4_c   0,005   0,000   - 0,033   0,005   0,008   0,029 

 4_1 

 - 0,001   0,001   - 0,063   0,001     
 4_2   0,012   - 0,005   - 0,008   0,013     
 4_3  0,010   0,007   - 0,025   0,012     
 4_4   0,004  - 0,008   - 0,016   0,009     
 5_c   - 0,005   0,007   0,005    0,009   0,011   0,013 
 5_1   0,004   0,014   0,024   0,015     
 5_2   0,010   - 0,002   - 0,001   0,010     
 5_3   0,005  0,003   0,015   0,006     
 5_4   - 0,015   0,000   - 0,022   0,015     
 6_c   0,008   - 0,049  - 0,074   0,050   0,017   0,019 
 6_1   0,003   - 0,005   - 0,005   0,006     
 6_2   - 0,017   0,002   - 0,004   0,017     
 6_3   - 0,003   0,005   0,009  0,006     
 6_4  0,004   0,002  0,005   0,004     

 Полученные результаты показывают, что плановое и высотное отклонение абсолютных координат контрольных точек практически не зависит от расстояния до базового приемника.

Оценка относительной точности измерения пространственных координат различными методами была получена из сравнения длин диагоналей на разных станциях.

№ старницы GSM RTK «Статика + тахеометр» «Эталон» Разница между «Статика + тахеометр» и GSM RTK Разница между «Эталон» и GSM RTK
D1, м D2, м D1, м D2, м D1, м D2, м D1, м D2, м D1, м D2, м
 2 0,970 0,947 0,964 0,960 0,950 0,955 - 0,005 0,012 - 0,020 0,008
 3 0,951 0,956 0,960 0,958     0,009 0,002 - 0,001 - 0,001
 4 0,963 0,949 0,962 0,955     0,002 0,007 - 0,013 0,006
 5 0,986 0,953 0,962 0,958     - 0,024 0,005 - 0,036 0,002
 6 0,964 0,957 0,965 0,959     0,001 0,002 - 0,014 - 0,002

Примечания:
1. В графе «GSM RTK» приведенны значения диагоналей, вычисленные по результатам спутниковых измерений в режиме GSM RTK.
2. В графе «Статика + тахеометр» приведены значения диагоналей, вычисленные по результатам измерений на базисе спутниковыми приемниками в режиме «статика» и электронным тахеометром.
3. В графе «Эталон» приведены «эталонные» значения диагоналей между контрольными точками стенда, измеренные рулеткой.
4. D1 и D2 - диагонали между контрольными точками стенда.

Наблюдение не менее 12–15 спутников GPS и ГЛОНАСС одновременно, стабильность GSM-связи на протяжении всех измерений и благоприятные условия спутниковых измерений позволили получить среднюю квадратическую погрешность определения абсолютных пространственных координат приемниками ГНСС в режиме GSM RTK на различных расстояниях от базового приемника в пределах от 1 до 3 см, при сохранении малого времени инициализации — не более 1 минуты. Данный результат, в целом, достигался и на удалении от базовой станции в 20 км, 50–60 км и, даже, на 100 км.

Таким образом, при хорошем покрытии района вышками мобильной связи и относительно несложных условиях наблюдений пользователи, применяя технологию GSM RTK, смогут повысить производительность топографо-геодезических работ в несколько раз. При этом организациям, использующим оборудование компании Trimble, для перехода от технологии с постобработкой («статика», «кинематика») к измерениям в режиме реального времени (RTK) достаточно приобрести комплект внешних GSM-модемов.

Очевидно, что на основании представленного объема исследований делать окончательные выводы преждевременно, но результаты тестовых измерений однозначно указывают на широкие перспективы использования технологии GSM RTK во многих направлениях геодезического обеспечения при выполнении измерений с помощью оборудования ГНСС. Кроме того, полученные результаты могут внести существенные коррективы при разработке стратегии построения сетей постоянно действующих базовых станций.

Возврат к списку