Що таке GNSS RTK і як воно працює?

У цій статті ми пояснимо технологію RTK і її відмінності від стандартного позиціонування GNSS та інших високоточних методів, таких як PPP (Precise Point Positioning - Точне Позиціонування Точки). Ми дослідимо ключову роль базових станцій і опорних мереж у RTK і порівняємо одночастотні та двочастотні системи RTK. Нарешті, ми окреслимо вимоги до апаратного та програмного забезпечення для використання RTK у різних програмах.

GNSS RTK – це спосіб отримання дуже точної інформації про місцезнаходження від супутників у режимі реального часу. GNSS означає глобальну навігаційну супутникову систему та включає різні системи, такі як GPS (США), ГЛОНАСС (Росія), Galileo (ЄС) і BeiDou (Китай).

Технологія RTK використовує дані мережі стаціонарних станцій, які знають своє точне положення та надсилають поправки на супутникові сигнали. Мобільний приймач, наприклад геодезичний прилад або самокерований автомобіль, може використовувати ці поправки для розрахунку власного точного положення відносно стаціонарних станцій.

Яка різниця між позиціонуванням RTK і стандартним GNSS?

RTK (кінематична система реального часу) і стандартна GNSS (глобальна навігаційна супутникова система) є двома методами отримання інформації про місцезнаходження від супутникових систем. Вони відрізняються за такими аспектами:

Точність: стандартне позиціонування GNSS, також відоме як автономне або одноточкове позиціонування, забезпечує позиційну точність порядку кількох метрів. Цього достатньо для багатьох загальних програм, таких як навігація, відстеження та служби визначення місцезнаходження.

RTK – це диференціальний метод GNSS, який забезпечує позиційну точність порядку сантиметрів. Це потрібно для додатків, які потребують вищої точності, таких як геодезія, будівництво, сільське господарство, логістика, робототехніка та автономна навігація транспортних засобів.

Методологія: стандартне позиціонування GNSS визначає положення користувача шляхом вимірювання часу проходження сигналів від супутників до приймача. На точність цього методу впливають різні фактори, такі як помилки супутникового годинника, атмосферні затримки та багатопроменєві помилки.

RTK покращує точність позиціонування GNSS за допомогою мережі фіксованих опорних станцій із відомими положеннями. Ці станції безперервно спостерігають за супутниковими сигналами та обчислюють поправки на згадані вище помилки. Мобільний приймач RTK (Rover RTK) застосовує ці корекції в режимі реального часу для підвищення точності позиціонування.

Таким чином, основна відмінність між RTK і стандартним GNSS позиціонуванням полягає в тому, що RTK досягає вищого рівня точності, використовуючи корекції в реальному часі від опорних станцій, тоді як стандартне GNSS позиціонування залежить лише від супутникових сигналів і надає менш точну інформацію про місцезнаходження.

Що потрібно для використання RTK?

Технологія RTK потребує спеціальних апаратних і програмних компонентів для забезпечення високоточного позиціонування. Ось огляд типових вимог:

ОБЛАДНАННЯ:

• GNSS-приймач: RTK-сумісний приймач, який може обробляти супутникові сигнали та дані корекції. Він має підтримувати кілька груп GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) і може бути одночастотним, двочастотним або мультичастотним, причому останній забезпечує кращу продуктивність. Ми рекомендуємо недороге геодезичне обладнання GNSS RTK. 
• Антена: високоякісна антена, яка може приймати супутникові сигнали з мінімальними перешкодами та багатопроменевими помилками. Вона має відповідати смугам частот, які підтримує приймач, і вимогам програми.
• Базова станція: фіксована опорна станція або доступ до мережі опорних станцій. Він повинен мати відоме положення та бути оснащений приймачем і антеною з підтримкою RTK для передачі даних корекції в реальному часі.
• Передача даних: метод передачі коригувальних даних від базової станції до роверного (мобільного) приймача в режимі реального часу. Це можуть бути радіомодеми, стільникові модеми або інтернет-рішення, такі як NTRIP (мережевий транспорт RTCM через Інтернет-протокол).

ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ:

• RTK Обробник: програмне забезпечення, яке може обробляти GNSS вимірювання та дані корекції. Таке ПЗ повинно бути сумісне з апаратним забезпеченням. Воно може бути надане виробником приймача або отримане від сторонніх постачальників.
• Реєстрація та аналіз даних: програмне забезпечення, яке може реєструвати, обробляти або аналізувати дані. Воно може включати програмне забезпечення ГІС (географічної інформаційної системи), геодезичне програмне забезпечення або інші спеціалізовані інструменти, адаптовані до конкретних потреб, такі як geotrack, geometer SCOUT, SurPad, SurvX тощо.

Це основні апаратні та програмні компоненти, необхідні для реалізації RTK.

Як базові станції та опорні мережі надають корекції RTK

Базові станції та мережі фіксованих опорних станцій є ключовими компонентами RTK, які надають дані корекції, необхідні для високоточного позиціонування.

Ось як вони працюють:

Базова станція, або опорна станція — це фіксований приймач GNSS із відомим положенням. Він відстежує супутникові сигнали GNSS і в режимі реального часу обчислює поправки на різні помилки, які впливають на точність позиціонування. Ці помилки включають орбіту супутника та помилки годинника, атмосферні затримки та ефекти багатопроменевого поширення.

Базова станція надсилає ці поправки на ровер (мобільний) приймач, який застосовує їх для підвищення точності позиціонування. Точність рішення RTK значною мірою залежить від якості та відстані поправок від базової станції. Як правило, менші відстані (менше 20-30 км) забезпечують більшу точність.

Мережі фіксованих опорних станцій, або референсна мережа – це система з кількох базових станцій, які охоплюють більшу географічну територію. Станції в еталонній мережі співпрацюють, щоб генерувати більш точні та надійні дані корекції. Ці дані можуть використовуватися декількома приймачами роверів, що робить їх ефективнішим рішенням для додатків, яким потрібні корекції RTK на великих територіях або для кількох користувачів.

Референсними мережами можуть керувати державні організації, приватні компанії або обидва. Вони використовують сучасне програмне забезпечення для обробки даних з усіх базових станцій, враховуючи такі фактори, як просторовий розподіл станцій і положення ровера. Потім виправлення надсилаються на приймачі ровера за допомогою різних методів зв’язку, таких як радіо, стільникові мережі або Інтернет (наприклад, через NTRIP).

Підводячи підсумок, базові станції та опорні мережі є життєво важливими частинами системи RTK, оскільки вони надають корекційні дані в реальному часі, необхідні для досягнення точності позиціонування на рівні сантиметра. Хоча одна базова станція може працювати в деяких програмах, опорні мережі пропонують більш масштабоване та ефективне рішення для великих територій або кількох користувачів. Ми рекомендуємо українську мережу CORS GNSS RTK, яка містить більше 200 базових станцій по всій країні, та регулярно додає нові.

RTK (кінематика в реальному часі) проти PPP (точне позиціонування точки): порівняння

RTK і PPP є високоточними методами позиціонування GNSS, але вони мають різні методології, точність, час конвергенції та вимоги до інфраструктури. Ось чим вони відрізняються:

Методологія: RTK — це диференціальний метод GNSS, який використовує поправки в реальному часі від сусідньої базової станції або опорної мережі для досягнення сантиметрової точності. Він коригує такі помилки, як орбіта супутника та помилки годинника, атмосферні затримки та ефекти багатопроменевого поширення. RTK залежить від просторової кореляції цих помилок між базовою станцією та роверним приймачем.

PPP — це окрема техніка GNSS, яка не потребує базової станції поблизу. Ця технологія використовує точну орбіту супутника та інформацію про годинник, а також глобальні моделі атмосфери, щоб виправити помилки. PPP може працювати з одночастотними або двочастотними приймачами і може забезпечити високоточне позиціонування в будь-якій точці світу без локальних опорних станцій.

Точність: RTK зазвичай забезпечує кращу точність, ніж PPP. RTK може забезпечити точність на рівні сантиметра, тоді як PPP може забезпечити точність на рівні від субдециметра до сантиметра залежно від реалізації та доступності даних корекції.
Час конвергенції: RTK зазвичай має швидший час конвергенції, часто забезпечуючи високоточні результати від секунд до кількох хвилин. Це робить його придатним для програм реального часу. PPP зазвичай має довший час конвергенції, іноді потрібно від кількох хвилин до годин, щоб досягти повного потенціалу точності. Це робить PPP менш придатним для програм реального часу, які потребують миттєвих високоточних результатів.
Вимоги до інфраструктури: для RTK потрібна базова станція поблизу або доступ до опорної мережі, що може спричинити додаткові витрати та обслуговування. Це також обмежує продуктивність RTK у регіонах, де покриття опорних станцій рідкісне або взагалі відсутнє.
PPP не потребує місцевих опорних станцій, що може зробити його більш доступним і економічно ефективним, особливо у віддалених районах. Однак PPP покладається на наявність точних коригувальних даних, які зазвичай надаються глобальними або регіональними службами та можуть передбачати плату за підписку.