NEWSLETTERY SIECI RTK - PRZYPOMNIENIE Niniejszy numer Newslettera kończy trzyczęściową serię dotyczącą sieci RTK. Zanim zagłębimy się w szczegóły tego numeru przypomnimy tematy dwóch poprzednich numerów. Newsletter 52 Wprowadzenie: Wprowadzenie do tematu sieci RTK, krótki opis ich funkcjonowania w porównaniu do pojedynczej stacji bazowej RTK, oraz podkreślenie korzyści ekonomicznych płynących z użycia sieci RTK, którymi są: Oszczędność pieniędzy wynikająca z tego iż nie jest potrzebny zakup odbiornika pracującego jako stacja referencyjna. Nie ma potrzeby ustawiania stacji referencyjnej w terenie. Dzięki wykorzystaniu sieci RTK, pomiary mogą być prowadzone na dużych obszarach bez pogarszania dokładności pomiarów (długie linie bazowe) i straty czasu (przenoszenie stacji referencyjnej). Newsletter 53 Różne metody: Opisano różne metody przesyłania poprawek w sieci RTK, w tym: Metody niestandaryzowane to i-max oraz VRS (wirtualne stacje referencyjne) - odbiornik ruchomy wysyła swoją przybliżona pozycję do serwera, który następnie oblicza rozwiązanie sieciowe i redukuje błędy powstałe przez wpływ odległości; W metodzie MAX (Master Auxiliary Concept), która jest metodą standaryzowaną, odbiornik ruchomy otrzymuje z sieci pełne obserwacje surowe oraz informacje o współrzędnych stacji głównej, obserwacje zredukowane o nieoznaczoności i różnice współrzędnych dla stacji pomocniczych. Odbiornik ruchomy może wykorzystać wszystkie informacje do obliczenia zoptymalizowanego rozwiązania RTK. W niniejszym numerze przeanalizowano także zalety, wady oraz wydajność pracy w kontekście możliwości odtworzenia i powtórzenia pomiaru oraz spójności danych, które są istotną cechą metody MAC. Leica Geosystems opracowała metodę zwiększenia wydajności metody MAC przez połączenie jej z algorytmem tworząc metodę nazywaną MAX. POMIARY W SIECI RTK Z LEICA GEOSYSTEMS Wydajność pomiarów w sieci RTK zwiększa się, gdy są one prowadzone za pomocą odbiorników z serii Leica Viva, a sieć jest kontrolowana przez oprogramowanie Leica Spider. Wysoka wydajność jest efektem korzystania z metody MAC/MAX służącej do przesyłania poprawek oraz algorytmu, który został dołączony do oprogramowania odbiorników z serii Viva. MAC/MAX & Terminy MAC, MAX oraz są synonimami światowej klasy technologii pomiarów satelitarnych. Znaczenie tych terminów jest zapewne znane wielu czytelnikom, natomiast ich krótka definicja pomoże nowym użytkownikom lepiej zrozumieć opisywane zagadnienia: MAC: skrót ten oznacza Master Auxiliary Concept, jest to najbardziej zaawansowana i jedyna międzynarodowa standaryzowana metoda do sieciowych pomiarów RTK. W metodzie MAC odbiornik ruchomy otrzymuje wszystkie dostępne informacje dotyczące stacji referencyjnych w sieci i widocznych satelitów, na podstawie tych danych jest w stanie najlepiej wyznaczyć swoją pozycję. MAX: to standard poprawek Leica, które wykorzystują metodę MAC. Metoda MAX jest obsługiwana przez odbiorniki z serii Leica Viva i oprogramowanie Spider Net. : to oprogramowanie RTK działające w odbiornikach Leica Viva, które inteligentnie łączy dane surowe i skorygowane dane satelitarne celem poprawienia dokładności wyznaczania pozycji przez zwiększenie wykorzystania wszystkich dostępnych danych (Ujednolicone obliczenie pozycji); optymalizuje połączenie obserwacji L1 oraz L2 celem zapewnienia spójności rozwiązania, nawet po zmianie metody wyznaczania rozwiązania (dekorelacja atmosferyczna). Najlepsze rezultaty są osiągane, gdy trzy powyższe elementy współdziałają ze sobą, np. Sieć działająca pod kontrolą oprogramowania Spider wykorzystuje poprawki MAX celem wysłania informacji MAC do odbiornika Leica Viva korzystającego z oprogramowania. WYDAJNOŚĆ POMIARÓW W SIECIACH RTK Wszystkie metody pomiarów w sieciach RTK umożliwiają użytkownikom pracę na dużych obszarach bez potrzeby częstego konfigurowania odbiornika, dodatkowo pozwalają zaoszczędzić znaczne sumy pieniędzy. Korzyści płynące z pracy w sieciach RTK zależą od stosowanej metody. 1 z 6
Algorytm wykorzystywany wraz z poprawkami MAC w formacie RTCM 3.1 powoduje, że odbiornik w większym stopniu wykorzystuje dane satelitarne, minimalizuje błędy wyznaczania pozycji oraz inne dodatkowe błędy. Powyższe możliwe jest dzięki dwóm koncepcją: Powiązanej informacji sieciowej i obserwacjom surowym oraz Dekorelacji atmosferycznej. Wysoką wydajność pracy zaprezentowano na przykładzie danych rzeczywistych opisanych w dwóch studiach przypadków: 1. Łączenie wszystkich dostępnych danych celem obliczenia jednolitego rozwiązania pozycji. 2. Optymalizacja wykorzystania danych L1 oraz L2 i modelowania jonosferycznego korzystając z dekorelatora atmosferycznego. STUDIUM PRZYPADKU 1: MAKSYMALIZACJA WYKORZYSTANIA DANYCH ŁĄCZENIE INFORMACJI SIECIOWYCH I SURO- WYCH OBSERWACJI W tradycyjnych metodach obliczania rozwiązań RTK, obserwacje nie zawierające odpowiednich informacji sieciowych nie są wykorzystywane. Oznacza to, że satelity muszą być śledzone przez wszystkie stacje znajdujące się w sieci a także przez odbiornik ruchomy, aby dane przekazywane przez te satelity mogły zostać wykorzystane. Odległości między stacjami znajdującymi się w sieci mogą być duże dlatego możliwe jest, że gdy odbiornik ruchomy znajduje się w pobliżu jednej ze stacji referencyjnej, zarówno odbiornik jak i ta stacja będą śledzić satelity, których inne stacje nie mogą śledzić. Dzięki technologii możliwe jest wykorzystanie wszystkich obserwacji surowych oraz poprawek (np. danych z satelitów, które są widoczne przez wszystkie stacje w sieci oraz dane z satelitów, które są widoczne przez część stacji). Jako przykład można podać sytuację, w której odbiornik ruchomy pracuje w sieci składającej się z 4 stacji, 3 z nich śledzą tylko natomiast odbiornik i najbliższa mu stacja referencyjna śledzą po (Rys. 1), w takiej sytuacji możliwe są dwa rozwiązania. 1. Obliczenie rozwiązania na podstawie wspólnych satelitów widocznych przez wszystkie stacje bazowe. 2. Obliczenie rozwiązana z wykorzystaniem jednej linii bazowej, wykorzystane zostaną satelity widoczne zarówno przez odbiornik i stację główną. główna Rysunek 1: Sieć, w której odbiornik i stacja główna śledzą więcej satelitów niż stacje pomocnicze. Rozwiązanie 1 posiada tradycyjne zalety, błędy spowodowane odległością zostaną zminimalizowane, odległość od odbiornika ruchomego do stacji głównej nie ma większego znaczenia, do obliczenia rozwiązania zostanie wykorzystanych tylko, mimo że odbiornik ruchomy może śledzić znacznie więcej satelitów. W rozwiązaniu 2 do obliczenia pozycji zostanie wykorzystanych, ale będzie to rozwiązanie obliczone w oparciu o jedną linię bazową, dlatego odległość między odbiornikiem ruchomym i stacją główną ma duże znaczenie i błędy mogą wzrosnąć wraz ze wzrostem odległości. Technologia pozwala na wykorzystanie trzeciej opcji, Ujednoliconego obliczenia pozycji, w którym dane z śledzonych przez wszystkie stacje w sieci zostaną użyte w połączeniu z danymi z dodatkowych 3 satelitów, które są widoczne tylko przez odbiornik ruchomy i stację główną (Rys. 2). Odb. ruchomy pomocni Odb. ruchomy główna Rysunek 2: Rozwiązanie, w którym wykorzystywane są dane ze wszystkich możliwych satelitów celem poprawy dokładności obliczenia pozycji odbiornika ruchomego. 2 z 6
Potencjalne korzyści płynące z wykorzystania technologii to szybsza inicjalizacja pomiaru, zwiększona dokładność, a w niektórych przypadkach możliwość wyznaczenia pozycji w sytuacji, gdy nie jest możliwe obliczenie rozwiązania metodami tradycyjnymi. SIEĆ RTK Studium przypadku opisuje wpływ na obliczenie pozycji. Dane były gromadzone w sieci stacji referencyjnych (Rys. 3). Odb. ruchomy główna W okresie uwzględnionym na wykresie, tylko było jednocześnie widocznych przez wszystkie stacje w sieci, podczas gdy stacja główna i odbiornik ruchomy odbierały sygnały z co najmniej 6 satelitów, a na początku sesji z. POZYCJA POZIOMA Zebrane dane porównano ze względu na dokładności wyznaczenia pozycji 2D w odniesieniu do różnych metod RTK. Porównano tradycyjne pomiary i te wykonane z użyciem względem metody korzystającej z jednej linii bazowej (Rys. 5). i tradycyjny pomiar w sieci RTK - składowa pozioma Rysunek 3: Sieć wykorzystana w Studium Przypadku 1, odbiornik znajduje się około 15km od stacji bazowej. Dane zgromadzone w tej sieci zostały przeliczone trzy razy za pomocą następujących modeli RTK: 1. między odbiornikiem a stacją główną 2. Tradycyjne obliczenie sieci. 0 20 km 3. Obliczenia wykonane z użyciem algorytmu. Dane były gromadzone przez pewien okres czasu, dlatego ilość widocznych satelitów zmieniała się podczas sesji pomiarowej (Rys. 4) Rysunek 5: Błędy wyznaczania pozycji poziomej w przypadku trzech metod RTK obliczone na danych ze Studium Przypadku 1. Na powyższych wykresach (Rys. 5) widać bardzo małą różnicę między rozwiązaniami obliczonym w oparciu o jedną linię bazową lub pomiary sieciowe w przypadku pozycji poziomej obliczonej na podstawie analizowanych danych. POZYCJA PIONOWA W przypadku wyznaczania pozycji przez pomiary GNSS, składowa pionowa pozycji jest zwykle dwukrotnie mniej dokładna od składowej poziomej. Dzieje się tak, ponieważ wszystkie obserwowane satelity znajdują się ponad horyzontem, dlatego należy ocenić dokładność wyznaczania składowej pionowej w przypadku różnych metod (Rys. 6 i Rys. 7). i tradycyjny pomiar w sieci RTK - składowa pionowa Dostępne satelity Wszystkie satelity Cała sieć Rysunek 4: Satelity widoczne przez odbiornik i stację główną (skumulowane) oraz wszystkie stacje w sieci. Rysunek 6: Pionowy błąd pozycji w przypadku tradycyjnej metody pomiaru RTK i metody z użyciem jednej linii bazowej. 3 z 6
Rysunek 7: Pionowy błąd pozycji w przypadku pomiaru i metody z użyciem jednej linii bazowej. Na wykresach wyraźnie widać (Rys. 6 i 7), że mimo dokładnego wyznaczenia pozycji poziomej, tradycyjna metoda wyznaczania pozycji nie jest tak dokładna w przypadku obliczania pozycji pionowej, jak metoda wykorzystująca jedną linię bazową lub. Na rysunku 7 widać, iż najlepiej sprawdza się przy wyznaczaniu pozycji pionowej. Charakteryzuje się niższym odchyleniem standardowym (0,006) niż metoda korzystająca z jednej linii bazowej (0,007) i metoda tradycyjna (0,010). Na rysunku 4 widać, iż do rozwiązania sieciowego wykorzystano, tyle było widocznych podczas sesji pomiarowej; to ograniczenie sprawiło, iż pozycja pionowa została wyznaczona mniej dokładnie gdyż geometria satelitów była słabsza (wysoka wartość VDOP). Rozwiązanie obliczone w oparciu o jedną linię bazową daje dokładniejsze wyniki niż rozwiązanie sieciowe, gdyż wykorzystywane są dodatkowe satelity poprawiające geometrię. W związku z powyższym, zapewnia najdokładniejsze obliczenie pozycji, ponieważ odbiornik wykorzystuje dane ze wszystkich dostępnych satelitów. łączy w sobie korzyści płynące z tradycyjnej metody pomiaru i metody wykorzystującej jedną linię bazowa. WIDOCZNOŚĆ SATELITÓW W krótkim czasie po rozpoczęciu pomiarów, ilość dostępnych satelitów widocznych przez odbiorniki w całej sieci spadła do 5, podczas gdy w tym samym Błąd poziomy (m) Błąd wysokości (m) i pomiar z użyciem - wysokość Rysunek 8: Błędy wyznaczania pozycji pionowej i poziomej w metodzie i tradycyjnej. Tradycyjny pomiar w sieci RTK i pomiar z użyciem czasie odbiornik ruchomy i stacja główna śledziły co najmniej 6 satelitów. Spadek ilości śledzonych satelitów przekłada się na dokładność obliczenia pozycji w tradycyjnej metodzie pomiarów sieciowych (Rys. 8). Na rysunku 8 widać iż po epoce 395805, pozycja w metodzie tradycyjnej nie jest już wyznaczana, podczas gdy metoda zapewnia dalsze wyznaczanie dokładnej pozycji 3D. Jak pokazano na wykresie dotyczącym dokładności wyznaczania pozycji pionowej, pominięcie satelitów które nie są śledzone przez całą sieć powoduje ograniczenie dokładności pozycji obliczanej za pomocą tradycyjnej metody pomiarów RTK, staje się to jeszcze bardziej widoczne, gdy ilość satelitów śledzonych przez wszystkie odbiorniki w sieci spada poniżej 5 i pozycja nie jest już wyznaczana. PODSUMOWANIE Dane zaprezentowane w Studium Przypadku 1 stanowią praktyczny przykład korzyści płynących z wykorzystania technologii podczas wyznaczania pozycji odbiornika. Z analizy danych jasno wynika, iż metoda umożliwia wyznaczenie pozycji w sytuacji, gdy tradycyjna metoda pomiaru zawodzi. W sytuacji gdy wyznaczenie pozycji jest możliwie obiema metodami, to zapewnia większą dokładność pomiaru. Zwykle umożliwia wykorzystanie od 1 do 3 satelitów więcej podczas obliczania pozycji, gdy odbiornik znajduje się w pobliżu stacji głównej i wysyłane są poprawki MAC. STUDIUM PRZYPADKU 2: POCZUJ ATMOSFERĘ DEKORELACJA ATMOSFERYCZNA W celu osiągnięcia wysokiej dokładności pomiaru GNSS RTK, mechanizm powstawania błędów musi zostać zrozumiany, natomiast błędy należy wymodelować i zminimalizować. Zwykle, wraz ze wzrostem odległości odbiornika od stacji bazowej rosną błędy wyznaczania pozycji. Błędy te muszą zostać wymodelowane celem ułatwienia ich usunięcia. Niedokładne modelowanie tych błędów może spowodować powstanie dodatkowych błędów. Od dawna wiadomo, iż wartość błędów wywołanych przez ziemską atmosferę, w szczególności troposferę i jonosferę, rośnie wraz ze wzrostem odległości miedzy stacją bazową a odbiornikiem. Błędy wywołane przez troposferę są zwykle zmniejszane za pomocą modeli empirycznych - Sasstamoinen a lub Hopfield a. Opóźnienie jonosferyczne może zostać 4 z 6
skutecznie zmniejszone przez utworzenie wolnej od wpływu jonosfery liniowej kombinacji obserwacji pozyskiwanych na częstotliwościach Li i L2, powszechnie zwanych L3. Obserwacje L3 są około 3 razy mniej dokładne niż L1 i L2 i powinny być wykorzystywane tylko w przypadku, gdy wartości błędów jonosferycznych są znaczne. Konwencjonalna metoda działania to przejście na rozwiązanie L3 przy wcześniej zdefiniowanej długości linii bazowej (Rys. 9). Takie podejście jest zasadne podczas tradycyjnych pomiarów RTK (pojedyncza linia bazowa). Typ rozwiązania Bez wpływu jonosfery L1L2 Odległość graniczna Odległość od stacji referencyjnej Rysunek 9: Prezentacja przejścia z rozwiązania L1/L2 na wolne od wpływu jonosfery rozwiązanie L3, przy zadanej odległości. Odległość, przy której nastąpi zmiana typu rozwiązania może zależeć od producenta odbiornika. Wartość odległości została określona empirycznie na podstawie dużej ilości danych, należy przy tym pamiętać, iż uzyskane wyniki zostały opracowane pod kątem uzyskania najlepszego rozwiązania dla większości przypadków pomiarowych. W rezultacie może to spowodować, iż dla danych warunków atmosferycznych obliczone rozwiązanie nie będzie tym najlepszym. W przypadku pomiarów w sieci RTK, zależne od odległości błędy troposferyczne i jonosferyczne występujące w danych rejestrowanych przez odbiornik ruchomy są modelowane przez oprogramowanie do zarządzania siecią. W rezultacie, wartość poprawek zależy w większym stopniu od modelowania atmosferycznego niż długości linii bazowej. Dlatego w przypadku oceny dokładności obserwacji potrzebne jest bardziej realistyczne podejście celem optymalnego połączenia obserwacji L1 i L2. W przypadku podejście do problemu jest inne. Algorytm stale monitoruje błędy atmosferyczne obserwacji rejestrowanych przez odbiornik ruchomy. Informacje o błędach są wykorzystywane do optymalnego połączenia i nadania wag obserwacjom L1 i L2 celem wyznaczania pozycji z jednolitą dokładnością w całej sieci, w której pracuje odbiornik. Dzięki czemu używana jest najbardziej odpowiednia kombinacja satelitów i unika się negatywnego efektu związanego z przechodzeniem między różnymi stacjami referencyjnymi, jak ma to miejsce w tradycyjnych metodach. SIEĆ W niniejszym studium przypadku opisano skutki działania dekorelacji atmosferycznej algorytmu. Dane zostały zgromadzone w sieci, gdzie odbiornik ruchomy znajdował się bliżej (ponad 20 km) stacji pomocniczej niż stacji głównej (ponad 40 km) (Rys. 10). 0 20 km główna Odb. ruchomy Rysunek 10: Sieć użyta w Studium przypadku 2, odbiornik znajduje się około 43 km od stacji głównej. Tak jak w przypadku pierwszego studium przypadku, dane zostały zebrane w sieci i przeliczone 3 razy, jako pomiary wykonane przy użyciu jednej linii bazowej, tradycyjne pomiary w sieci RTK i pomiary z użyciem. PORÓWNANIE POMIARÓW Z UŻYCIEM JED- NEJ LINII BAZOWEJ I TRADYCYJNYCH POMIA- RÓW W SIECI RTK Pierwszy test opisany w niniejszym studium przypadku polegał na określeniu potencjalnych korzyści płynących z użycia tradycyjnej metody pomiaru w sieci RTK w stosunku do metody korzystającej z jednej linii bazowej. Porównane zostały zarówno błędy poziome jak i pionowe (Rys. 11) Na rysunku 11 dokładnie widać, iż pomiary z użyciem jednej linii bazowej są mniej dokładne (z powodu dłuższych linii bazowych) niż te uzyskane w Studium przypadku 1, gdzie błędy wyznaczania pozycji nie przekraczały 10 mm. Wystąpiły błędy o wartości niemal 90 mm świadczące, że występują błędy zależne od odległości mające wpływ na obliczenie rozwiązania. 5 z 6
Błąd poziomy (m) Błąd wysokości (m) Rysunek 11: Poziome i pionowe błędy występujące w pomiarach tradycyjnych w porównaniu do pomiarów z wykorzystaniem jednej linii bazowej. Dokładności rozwiązania uzyskane podczas pomiarów sieciowych są wyższe niż te z użyciem jednej linii bazowej, ale błędy wyznaczania pozycji są nadal większe niż w Studium przypadku 1. Wykorzystanie rozwiązania uzyskanego podczas pomiarów sieciowych ma swoje zalety. Jednakże, oczywiste jest że błędy mające wpływ na obliczenie rozwiązania na podstawie pomiarów uzyskanych z użyciem jednej linii bazowej powodują także dodatkowe błędy w tradycyjnych pomiarach w sieci RTK. PORÓWNANIE POMIARÓW Z UŻYCIEM SMAR- TRTK I TRADYCYJNYCH POMIARÓW W SIECI RTK Mimo że rozwiązanie sieciowe jest korzystne, nadal istnieją błędy, które mogą zostać zmniejszone - dzieje się to w przypadkach wykorzystania dekorelacji atmosferycznej. Podejście do błędów zastosowane w algorytmie polega na użyciu optymalnej kombinacji obserwacji pozyskiwanych na częstotliwościach L1 i L2 i modelowaniu stochastycznemu błędów jonosferycznych, dzięki czemu algorytm może lepiej obliczać błędy i minimalizować ich wpływ na rozwiązanie. Drugim testem przeprowadzonym w niniejszym studium przypadku było porównanie algorytmu i jego dekoleratora atmosferycznego z tradycyjną metodą pomiarów w sieci RTK (Rys. 12). Błąd poziomy (m) Tradycyjny pomiar w sieci RTK i pojedyncza linia bazowa Tradycyjny pomiar w sieci RTK i pomiar z użyciem Na wykresach (Rys. 12) wyraźnie widać, że rozwiązanie jest dokładniejsze niż tradycyjne rozwiązanie sieciowe. Duże błędy pozycji widoczne między epokami 298 500 oraz 299 500 w metodzie pomiaru z wykorzystaniem pojedynczej linii bazowej i tradycyjnej metodzie pomiarów sieciowych, są zdecydowanie mniejsze w przypadku metody korzystającej z dekorelacji atmosferycznej. PODSUMOWANIE zapewnia dużo lepsze wyniki niż dwie wcześniej opisywane metody. Dzieje się tak z powodu innego podejścia do błędów zależnych od odległości. Niniejsze opracowanie jest praktycznym dowodem, na istnieje znacznych korzyści płynących z wykorzystania algorytmu i jego dekoleratora atmosferycznego. Dzięki możliwe jest wyznaczanie pozycji w całej sieci RTK ze stałą dokładnością, nawet w niesprzyjających warunkach atmosferycznych. WARTO ZAPAMIĘTAĆ Użycie i poprawek MAC do obliczenia rozwiązania pozwala na wykorzystanie większej ilości danych niż w każdej innej metodzie RTK służącej do pomiaru pozycji. Dodatkowe informacje wykorzystywane przez oraz poprawki MAC zwiększają powtarzalność, wiarygodność i zapewniają jednorodną wysoką dokładność obliczenia rozwiązania przy jednoczesnym zminimalizowaniu błędów zależnych od odległości. Nawet w przypadku sieci RTK, gdy poprawki MAC nie są wykorzystywane, dekorelator atmosferyczny działa i odbiorniki z serii Leica Viva będą działać z najwyższą dokładnością. Sieci RTK są zakładane w coraz większej ilości krajów w tym Polsce, więcej informacji na temat sieci RTK w Polsce (ASG-EUPOS oraz Smart- Net) uzyskasz u Inżyniera Sprzedaży Leica oraz pod adresem: http://pl.smartnet-eu.com/ Błąd wysokości (m) Rysunek 12: Poziome i pionowe błędy pozycji obliczonej za pomocą w porównaniu do pozycji obliczonej tradycyjną metodą pomiarów sieciowych. 6 z 6