Real Time Kinematic (RTK, oversat fra engelsk - "real-time kinematics" [1] ) - et sæt af teknikker og metoder til at opnå planlagte koordinater og højder af centimetriske nøjagtige terrænpunkter ved hjælp af et satellitnavigationssystem ved at modtage rettelser fra basestationen modtaget af brugerens udstyr under optagelser. Det er en af DGPS- metoderne .
Radiosignalet fra satellitten under transmission er udsat for forskellige forvrængninger. Der er tre hovedårsager til signalforvrængning: atmosfæriske uregelmæssigheder (de vigtigste er ionosfæriske og troposfæriske), interferens fra stationære og bevægelige objekter samt signalrefleksion eller multipath. Ved hjælp af GNSS-signaler kan du bestemme modtagerens position på jordens overflade med decimeternøjagtighed . Men på grund af forvrængninger uden brug af specialudstyr måles den faktiske positioneringsnøjagtighed normalt i meter eller titusinder (afhængig af breddegrad, antal synlige satellitter og andre forhold). Forvrængning kan reduceres betydeligt ved hjælp af yderligere terrestrisk infrastruktur- differentielle korrektionssystemer .
For at opnå korrektioner bruges GNSS -bærebølgefasemålinger samtidigt på to GNSS-modtagere. Koordinaterne for en af modtagerne (base, fast) skal bestemmes nøjagtigt (for eksempel kan den installeres på punktet af det statsgeodætiske netværk ); den transmitterer over en kommunikationskanal (radiomodem, gsm-modem, internet osv.) et sæt data kaldet korrektioner. Korrektionerne modtaget af stationen og satellitsignalet behandles af softwaren i overensstemmelse med softwarealgoritmer og de akkumulerede statistikker over satellitephemeris . Derefter sendes en differentiel korrektion fra basestationen til den anden modtager (mobil, "rover"), som forfiner satellitsignalet.
Roveren kan bruge disse data til at give nøjagtig positionering (op til 1 cm vandret (1 cm + 1 ppm) og 2 cm lodret) i afstande op til 30 km fra basemodtageren. Til at sende rettelser bruges radiomodemmer, internettet og så videre. I øjeblikket anvendes RTK-metoden på frekvenserne L1, L2. [2]
Feltbasestationer sender DGPS-signaler, normalt via et VHF -radiomodem eller gennem mobiltelefonoperatører . Ved brug af VHF-radiosignaler påvirker kuperet og bjergrigt terræn normalt ikke signalmodtagelsen. Signalerne når dog ikke dybe kløfter , der ligger langt fra basestationerne og i stærkt skovklædte områder. Og det er også begrænset af tilstedeværelsen af mobiltårne, i tilfælde af brug af et GSM-modem.
Ændringer kan transmitteres i RTCM SC-104- format (meddelelseskoder 3, 18-21, 32, 1003-1008 [3] ), CMR og CMR+, RTCA, ATOM. Den nødvendige transmissionshastighed er 2400 bps eller mere, transmissionsforsinkelsen er ikke mere end 0,5−2 sekunder. For konventionel DGPS var hastigheder på 200 bps og forsinkelser på op til 10 sekunder tilstrækkelige, meget mere kræves for informationsstrømme i SSR-formatet.
Fra og med version 3.0 inkluderer RTCM SC-104-standarden muligheden for at sende RTK-korrektioner til GLONASS-systemet . [3] . Version 2.3 og efterfølgende 3.x er ikke kompatible, så de eksisterer parallelt.
Version 3.1 understøtter forskellige RTK-netværksbasestationsdataformater (VRS, FKP og MAC) samt SSR-meddelelser (præcise ephemeris og clock drift parametre).
Version 3.2 (februar 2013) tilføjer Multiple Signal Messages (MSM). MSM-formatet gør det muligt for modtageren at bruge alle satellitsystemer. Meddelelser omfatter kompakte og fulde meddelelser for pseudoafstande, fasemålinger, carrier (signal) til støjforhold (standard og høj opløsning), fasemålingsfrekvens.
I oktober 2016 blev RTCM 3.3 (betegnelse RTCM 10403.3) frigivet, hvor BeiDou (BDS) blev tilføjet til de modtagne beskeder for GPS-, GLONASS-, Galileo- og QZSS-systemer, og alle tidligere tilføjelser af version 3.x blev kombineret.
RTCM-formater Inddeles traditionelt i to kategorier: Observationsstatsrepræsentation (OSR) og State Space Representation (SSR) Disse grupper bruger forskellige metoder, leveringsmekanismer og underliggende teknologier til at løse det samme problem [4] .
Compact Measurement Record (CMR) er et ret gammelt format, det indeholder kun information fra GPS L1/L2-satellitter. Udviklet af Trimble i 1992 som en metode til at transmittere kode- og bærefasekorrektionsdata i et kompakt format fra GPS-basisstationer til GPS-rovere til RTK GPS-målinger.
CMR+ er anden generation af Trimble CMR. Den har en mere kompakt beskedstruktur end CMR. GPS-delen af denne protokol var oprindeligt ejet af Trimble, men blev senere opdaget og blev en meget brugt standard.
CMRx blev udviklet i 2009 til at understøtte GNSS-konstellationer, der har gennemgået store ændringer. Målet med CMRx var at forbedre initialiseringstiden, dække yderligere GNSS-kernekonstellationer, håndtere nye GNSS-signaler og forbedre ydeevnen i bymiljøer og lukkede himmelmiljøer. [4] [5] [6] .
RTX er Trimbles proprietære format, der bruger kommunikationssatellitter til at sende RTK-korrektionsdata til roveren i stedet for jordradioer eller mobilnetværk. Datastrømmen er faktisk CMRx-korrektionsdata. Forbedret CMRx-datakomprimering er ekstremt vigtigt for et satellitsystem, fordi satellitbåndbredde er ret dyrt. Som med CMRx er dette kun tilgængeligt på Trimble-modtagere. [6] .
Technical Commission for Aeronautics (RTCA) er et format udviklet af US Radio Technical Commission for Aeronautics.
NCT er John Deere's proprietære korrektionsdataformat. I 1999, ligesom præcisionslandbruget lige var ved at tage fart, købte John Deere GNSS-producenten NavCom. I dag fremstiller virksomheden modtagere til både landbrug og andre industrier. Formatet er autentisk og understøttes kun af John Deere-modtagere. [6] .
Single Base RTK (oversat fra engelsk - "Single Base RTK") er en basestation, der opererer i RTK-tilstand, bestående af 1 referencemodtager, en mikroprocessor og et VHF-radiomodem. Den kan være mobil til geodæsiformål og i sjældne tilfælde stationær til navigationsformål. Dækningen er begrænset til lokalområder op til 40 km fra en enkelt station. Efterhånden som afstanden fra basen øges, falder evnen til at løse tvetydigheder, hvilket påvirker nøjagtigheden af at bestemme mobilroverens position. Nøjagtighed når i plan: 0,01 m +/-0,5 ppm, og lodret: 0,02 m +/-1,0 ppm [7] . Eller 12 mm i plan og 60 mm i højden, i den maksimale afstand fra bunden.
Network RTK eller Multiple reference station (oversat fra engelsk - "multiple reference stations") [8] - En matematisk model af en konfiguration, der kombinerer 2 eller flere reference GNSS-modtagere (OP) til et netværk forbundet via kommunikationslinjer (IP-adresse (internet) ) eller cellulære kommunikationslinjer i GSM-format) til et enkelt kompleks. Referencemodtagerne sender løbende deres individuelle satellitobservationer til serveren. Netværkssoftwaren løser nøjagtigt tvetydighederne i satellitterne, som observeres af referencemodtagerne (RR). Den maksimale afstand mellem OP er ikke mere end 70 km fra hinanden [7] .
RTK-netværkskonceptet bruges til at skabe Differential Correction Systems i 2 versioner: Geodætiske systemer STP (Precise Positioning System) og Control and Correction Station (CCS) til navigationssystemer. Begge konfigurationer kræver en central server (kraftfuld processor) til beregning af rettelser og kommunikationslinjer til indsamling af information. Konceptet med RTK-netværk tillader modellering (forventning) af de vigtigste fejl i områder af forskellige områder med forskellig kvalitet (nøjagtighed).
Kontrol- og korrektionsstation (KKS)Kontrol- og korrektionsstationer eller måleopsamlingsstationer, som er et kompleks af højpræcisionsnavigationsudstyr designet i en redundant konfiguration. Traditionelt indeholder CCS 2 eller flere referencestationer installeret på punkter med kendte koordinater, hvilket garanterer pålidelighed og autonomi i tilfælde af fejl og pålideligheden af de indsamlede oplysninger [9] [10] .
PræcisionspositioneringssystemerPræcisionspositioneringssystemer, bestående af referencestationer, danner et enkelt netværk. De data, der modtages fra stationerne, strømmer til computercentret, som omfatter både passende hardware og software. Referencestationernes kommunikationsfaciliteter sikrer konstant overførsel af data til computercentret, som automatisk arkiveres og konverteres til RINEX-formatet. Efter dannelsen af differentielle korrektioner udsender computercentrets kommunikationsmidler dem til autoriserede brugere, der arbejder i RTK-tilstand [11] . Sådanne systemer er implementeret i Tyskland, Schweiz, Holland, Frankrig, Danmark og Sverige. [12] . På territoriet af Rusland, Moskva og Moskva-regionen, Skt. Petersborg og Leningrad-regionen er Sverdlovsk og Samara-regionerne fuldt dækket. [13] [14] Sevastopol og Kaliningrad (med regionen). 90 % dækning er i Krasnodar-territoriet, republikkerne Krim, Tatarstan, Udmurtia og Chuvashia, Omsk og Voronezh, Kurgan og Rostov-regionerne. I 2019 var mere end 6 store virksomheder, der tilbyder STP-tjenester repræsenteret i Rusland (RTK-Net [15] , PrinNet [16] , Topnet [17] , SmartNet [18] , eft-cors [19] , SSTP BTI [20] ) ved hjælp af udstyr fra forskellige virksomheder. Netværk konkurrerer og interagerer på paritetsbasis.
I dag implementerer RTK-netværk forskellige metoder til at skabe nøjagtige korrektioner, såsom MAX og i-MAX, VRS eller VBS og FKP [7]
MAX og i-MAXMAX og i-MAX ( Master-Auxiliary-korrektioner i oversættelse fra engelsk - “Master-auxiliary corrections”) Metoden er baseret på konceptet af samme navn MAC (Master Auxiliary Concept), foreslået i fællesskab af Leica Geosystems og Geo++ i 2001. Individual MAX (i -MAX) er designet til at understøtte ældre modtagere, der ikke kan modtage MAX-korrektioner.
Konceptet er at korrigere roverens koordinater gennem den nærmeste (betinget hovedstation). Dette koncept gør det muligt for roveren at være mere fleksibel - roveren kan altid spore RTK-løsningen og ændre dens beregninger, mens den bevæger sig.
Oplysninger om ændringerne indsamles fra netværket (flere basestationer knyttet til én server), behandles af specialiseret software og sendes til brugeren. Således forbinder MAX- og i-MAX-korrektionerne basismodtageren til roveren, og linjen kan genmåles [21] .
VRS eller VBSVRS ( Virtual Reference Station oversat fra engelsk - "virtuel referencestation") eller VBS ( Virtual Base Station oversat fra engelsk - "virtuel basestation") [22] - Den virtuelle basestationsmetode blev udviklet af Terrasat i slutningen af 1990'erne. Denne metode, ligesom MAX-metoderne, genererer korrektioner ved at simulere RTK i enkelt basestationstilstand - roveren sender omtrentlige koordinater for sin egen position (GGA-meddelelse) til serveren, serveren genererer automatisk en betinget (virtuel) base på afstand 10-15 meter fra roveren, indstille vægten et estimat for hver referencestation som funktion af afstanden til arbejdsområdet (modtageren modtager korrektionen). Derefter, ved hjælp af specialiseret software, startes tilstanden til at generere korrektioner fra den virtuelle station. Roveren begynder allerede at arbejde fra den virtuelle station. Som et resultat opnås et sæt differentielle korrektioner, optimeret til et givet arbejdsområde. Dette garanterer ikke ensartetheden af målingerne, og den gentagne generering af basestationer ved at tænde/slukke for roveren fører til positionsspring. VRS gør det dog muligt at opnå sub-centimeter nøjagtighed på relativt store afstande - 50-70 km i realtid, i et ensartet netværk over hele området [21] [23] [22] .
Fordele ved VRS eller VBS.
FKP (Flächen Korrektur Parameter på tysk - "arealkorrektionsmetode") - [24] [25] Denne metode involverer beregning af differentielle korrektioner over et område, der er dækket af flere basestationer (område med forventede løsninger). Uden at tage hensyn til den foreløbige position af den mobile satellitmodtager. Et lineært domænepolynomium bruges til at give korrektioner. Det refererer til en overflade, der er defineret som værende parallel med WGS-84-ellipsoiden i højden af referencestationen, dvs. den mobile rovers pseudo-rækkevidde. Ud fra sættet af koordinater relateret til overfladesektoren (området af forventede løsninger) kan de, der svarer til faseforskellen for henholdsvis bærer L1 og L2 frekvenser, beregnes pseudo-område korrigeret for positionsafhængige fejl. [26]
I slutningen af 1990'erne foreslog Astronomy and Geomatics Research Group (gAGE) ved det tekniske universitet i Catalonien (UPC) konceptet Wide Area RTK for at løse en række problemer. Baseret på real-time carrier fase disambiguation. Hvilket giver dig mulighed for at udvide lokale tjenester til en bred skala (det vil sige at øge dækningen af basislinjerne mellem roveren og basestationen op til 100 km), både for to frekvenser og for multi-system modtagere (enkelt frekvens modtagere er fundamentalt udelukket). Teknikken er baseret på den optimale kombination af nøjagtige ionosfæriske og geodætiske modeller i et netværk af permanente referencestationer. Den væsentligste faktor, der begrænser udvidelsen af rækkevidden af RTK-metoden ud over nogle få tiere kilometer, er den differentielle ionosfæriske korrektion mellem roveren og den nærmeste GNSS-referencestation. En sådan korrektion forhindrer uklarhed i realtid i at udbrede sig og dermed opretholde korrekt navigation på subdecimeterniveau. Det vil sige, at hovedfejlene er afskåret. Hovedfejlen forbliver den ionosfæriske og dens korrelationer, hvis afbødning bliver hovedproblemet, der skal løses, som har en vægtløs værdi på baggrund af andre. Metoden er blevet demonstreret på reelle data, men er endnu ikke blevet implementeret, på trods af at den øger dækningen til 500-900 kilometer fra basestationen og som følge heraf kræver 100-1000 gange færre modtagere, der dækker en given region. [27] [28]
Korrektionerne transmitteres via en radiokanal (ved frekvenser 410-470 MHz for de fleste enheder). Basen kan enten sættes til et punkt (punkt) med kendte koordinater, eller dens koordinater kan være autonome, med koordinater gennemsnittet over et bestemt tidsinterval (normalt flere minutter). I det andet tilfælde udføres arbejdet ved at kalibrere arbejdsområdet ved hjælp af kendte punkter i feltcontrollersoftwaren, der bruges til at arbejde med rovermodtageren. Radiomodemerne indbygget i basismodtagerne har en effekt på op til 4-5 W og er udstyret med kompakte (op til 30 cm) antenner til drift over korte afstande. For at øge driftsområdet bruges eksterne radiomodem med en effekt på op til 35-40 W med separat strømforsyning og større antenner (op til flere meter), normalt på en separat base.
Fordele:
Fejl:
GSM - kommunikation kan leveres gennem: modtagerens interne terminal, den eksterne terminal forbundet til modtageren via RS-232, gennem terminalen på feltcontrolleren (relevant for roveren).
CSDCSD (Circuit Switched Data i oversættelse fra engelsk - "Data with Channel Switching"). Overførslen af rettelser fra basestationen udføres direkte ved at "ringe" roveren til nummeret på SIM-kortet, der er installeret i denne bases GMS-terminal. Indtil 2010 var det populært, men efter 2010 begyndte mobiloperatører gradvist at stoppe med at understøtte denne tjeneste og efterlade den på en af taksterne for IoT-enheder.
Fordele:
Fejl:
NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol). Indført i september 2004 af det tyske forbundsagentur for kartografi og geodæsi (BKG) og Dortmund University Department of Computer Science DUDCS. Overførslen af rettelser fra basestationen udføres via en computer med en hvid (statisk) IP-adresse, hvorpå der er installeret speciel software. Protokolbeskrivelsen definerer 4 grundlæggende komponenter i systemet:
Der er modtagere med integreret caster-funktionalitet, der kan give et lille antal rovere (normalt op til 10-30). Som regel installeres de permanent ved at oprette forbindelse til internettet via en router med portvideresendelsesindstillinger, hvorpå casteren er konfigureret og en direkte IP-adresse.
Der er internettjenester, der giver caster-funktionalitet med en intuitiv opsætning. For at arbejde skal du bruge din egen eller "venlige" base med GSM og din egen rover og et lille abonnementsgebyr (sammenlignelig med prisen for mobiloperatørens internettakst).
Fordele:
Fejl:
Ligner NTRIP men mangler flowkontrol. På internettet er der en HTTP-lignende server, der er i stand til at modtage og sende data på en eller flere porte uden nogen form for parsing af den transmitterede information.
Fordele:
Fejl:
Svarende til NTRIP, men rettelser sendes fra basestationen via CHC internettjenesten.
Fordele:
Fejl:
RTK-teknologi bruges i en lang række industrier: i geodæsi og jordmatrikel, byggeri, præcisionslandbrug, overvågning af industrielle bevægelige objekter og kapitalstrukturer, højpræcisionsnavigation (på land, til vands og i luften).
Den største fordel ved tilstanden er evnen til at opnå koordinater med en nøjagtighed på op til ~ 1 cm i plan og op til ~1,5 cm i højden i realtid .
RTK virker ikke, når mindre end 5 af de samme GPS-satellitter er synlige på samme tid på basen og på roveren. Fra de originale satellitter [29] . I lyset af dette kan RTK ikke arbejde i dybe kløfter, såvel som i bebyggede områder i nærvær af et reflekteret signal. og Stabil drift af RTK er ikke garanteret længere end 20-30 km fra basen (selve DGPS-metoden fungerer i et lille område af basen på grund af atmosfærens nogenlunde ensartede tilstand). [30] [24] [31]
Under geomagnetiske storme er der muligvis ingen fast løsning (fast løsning - alle faseuklarheder er løst - et helt antal bølgelængder på satellit-modtagerlinjen). Da RTK-metoden er baseret på pseudo-range fasemålinger, selv under ideelle satellitsigbarhedsforhold og en lille base-rover-afstand.
| Navigationssystemer _ | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Satellit |
| ||||||
| Jord | |||||||
| Differentielle korrektionssystemer | |||||||