Co to jest GNSS RTK i jak działa?

W tym poście wyjaśnimy technologię RTK i czym różni się ona od standardowego pozycjonowania GNSS i innych metod o wysokiej dokładności, takich jak PPP (Precise Point Positioning). Zbadamy kluczową rolę stacji bazowych i sieci referencyjnych w RTK oraz porównamy jedno- i dwuczęstotliwościowe systemy RTK. Na koniec przedstawimy wymagania sprzętowe i programowe dotyczące używania RTK w różnych aplikacjach.

GNSS RTK to sposób uzyskiwania bardzo dokładnych informacji o lokalizacji z satelitów w czasie rzeczywistym. GNSS oznacza Globalny System Nawigacji Satelitarnej i obejmuje różne systemy, takie jak GPS (USA), GLONASS (Rosja), Galileo (EU) i BeiDou (Chiny).

RTK wykorzystuje dane z sieci stacji stacjonarnych, które znają swoje dokładne położenie i przesyłają poprawki do sygnałów satelitarnych. Odbiornik ruchomy, taki jak instrument geodezyjny lub autonomiczny samochód, może wykorzystać te poprawki do obliczenia własnej dokładnej pozycji względem stałych stacji.

Jaka jest różnica między pozycjonowaniem RTK a standardowym pozycjonowaniem GNSS?

RTK (Real-Time Kinematic) i standardowe pozycjonowanie GNSS to dwie techniki uzyskiwania informacji o pozycji z systemów satelitarnych. Różnią się one następującymi aspektami:

Dokładność: Standardowe pozycjonowanie GNSS, znane również jako pozycjonowanie samodzielne lub jednopunktowe, zapewnia dokładność pozycjonowania rzędu kilku metrów. Jest to wystarczające dla wielu ogólnych zastosowań, takich jak nawigacja, śledzenie i usługi oparte na lokalizacji.

RTK to technika różnicowego GNSS, która zapewnia dokładność pozycjonowania rzędu centymetrów. Jest to wymagane w zastosowaniach wymagających większej precyzji, takich jak geodezja, budownictwo, rolnictwo, logistyka, robotyka i autonomiczna nawigacja pojazdami.

Metodologia: Standardowe pozycjonowanie GNSS określa pozycję użytkownika poprzez pomiar czasu przelotu sygnałów z satelitów do odbiornika. Na dokładność tej metody mają wpływ różne czynniki, takie jak błędy zegara satelity, opóźnienia atmosferyczne i błędy wielościeżkowe.

RTK poprawia dokładność pozycjonowania GNSS dzięki wykorzystaniu sieci stałych stacji referencyjnych o znanych pozycjach. Stacje te stale obserwują sygnały satelitarne i obliczają poprawki na wyżej wymienione błędy. Mobilny odbiornik RTK stosuje te poprawki w czasie rzeczywistym, aby zwiększyć dokładność pozycjonowania.

Dlatego główna różnica między pozycjonowaniem RTK a standardowym pozycjonowaniem GNSS polega na tym, że RTK osiąga wyższy poziom dokładności dzięki zastosowaniu poprawek w czasie rzeczywistym ze stacji referencyjnych, podczas gdy standardowe pozycjonowanie GNSS zależy tylko od sygnałów satelitarnych i dostarcza mniej dokładnych informacji o pozycjonowaniu.

Co jest potrzebne do korzystania z RTK?

RTK wymaga określonych komponentów sprzętowych i programowych, aby umożliwić precyzyjne pozycjonowanie. Oto przegląd typowych wymagań:

Sprzęt komputerowy:

• Odbiornik GNSS: Odbiornik obsługujący RTK, który może przetwarzać sygnały satelitarne i dane korekcyjne. Powinien obsługiwać wiele konstelacji GNSS (Global Navigation Satellite System) (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) i może być jednoczęstotliwościowy, dwuczęstotliwościowy lub wieloczęstotliwościowy, przy czym ten ostatni zapewnia lepszą wydajność.
• Antena: Antena wysokiej jakości, która może odbierać sygnały satelitarne przy minimalnych zakłóceniach i błędach wielościeżkowych. Powinien pasować do pasm częstotliwości obsługiwanych przez odbiornik i wymagań aplikacji.
• Stacja Bazowa: Stała stacja referencyjna lub dostęp do sieci stacji referencyjnych. Powinien mieć znaną pozycję i być wyposażony w odbiornik RTK i antenę do przesyłania danych korekcyjnych w czasie rzeczywistym.
• Przesyłanie danych: Metoda przesyłania danych korekcyjnych ze stacji bazowej do odbiornika ruchomego (ruchomego) w czasie rzeczywistym. Mogą to być modemy radiowe, modemy komórkowe lub rozwiązania internetowe, takie jak NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol).

Oprogramowanie:

• Przetwarzanie RTK: Oprogramowanie, które może przetwarzać pomiary GNSS i dane korekcyjne. Powinien być kompatybilny ze sprzętem. Może być dostarczony przez producenta odbiornika lub pochodzić od dostawców zewnętrznych.
• Rejestrowanie i analiza danych: Oprogramowanie, które może rejestrować, przetwarzać lub analizować dane. Może obejmować oprogramowanie GIS (Geographic Information System), oprogramowanie geodezyjne lub inne specjalistyczne narzędzia dostosowane do konkretnych potrzeb, takie jak geometer SCOUT, SurPad, SurvX itp.

Są to podstawowe komponenty sprzętowe i programowe wymagane do wdrożenia RTK.

Jak stacje bazowe i sieci referencyjne zapewniają poprawki RTK

Stacje bazowe i sieci referencyjne to kluczowe komponenty RTK (Real-Time Kinematic), które dostarczają danych korekcyjnych wymaganych do precyzyjnego pozycjonowania. Oto jak działają:

Stacja bazowa: Stacja bazowa lub stacja referencyjna to stały odbiornik GNSS o znanej pozycji. Monitoruje sygnały satelitarne GNSS i oblicza poprawki w czasie rzeczywistym dla różnych błędów, które wpływają na dokładność pozycjonowania. Błędy te obejmują orbitę satelity i błędy zegara, opóźnienia atmosferyczne i efekty wielościeżkowe.

Stacja bazowa wysyła te poprawki do odbiornika ruchomego (ruchomego), który stosuje je w celu poprawy dokładności pozycjonowania. Dokładność rozwiązania RTK zależy w dużej mierze od jakości i odległości poprawek od stacji bazowej. Ogólnie rzecz biorąc, krótsze odległości (mniej niż 20-30 km) skutkują wyższą dokładnością.

Sieci referencyjne: Sieć referencyjna to system wielu stacji bazowych obejmujących większy obszar geograficzny. Stacje w sieci referencyjnej współpracują ze sobą w celu generowania dokładniejszych i bardziej wiarygodnych danych korekcyjnych. Dane te mogą być wykorzystywane przez wiele odbiorników ruchomych, co czyni je bardziej wydajnym rozwiązaniem dla aplikacji wymagających korekt RTK na dużych obszarach lub dla wielu użytkowników.

Sieci referencyjne mogą być obsługiwane przez organizacje publiczne, firmy prywatne lub obie te organizacje. Używają zaawansowanego oprogramowania do przetwarzania danych ze wszystkich stacji bazowych, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak przestrzenne rozmieszczenie stacji i położenie łazika. Poprawki są następnie przesyłane do odbiorników łazika za pomocą różnych metod komunikacji, takich jak radio, sieci komórkowe czy Internet (np. poprzez NTRIP).

Podsumowując, stacje bazowe i sieci referencyjne są kluczowymi elementami systemu RTK, ponieważ dostarczają w czasie rzeczywistym danych korekcyjnych potrzebnych do osiągnięcia dokładności pozycjonowania na poziomie centymetra. Podczas gdy pojedyncza stacja bazowa może działać w niektórych zastosowaniach, sieci referencyjne oferują bardziej skalowalne i wydajne rozwiązanie dla większych obszarów lub wielu użytkowników.

RTK (Kinematyka w czasie rzeczywistym) a PPP (Precyzyjne pozycjonowanie punktu): Porównanie

RTK i PPP to bardzo precyzyjne techniki pozycjonowania GNSS, ale różnią się metodologią, dokładnością, czasem konwergencji i wymaganiami infrastrukturalnymi. Oto czym się różnią:

Metodologia: RTK to technika różnicowego GNSS, która wykorzystuje poprawki w czasie rzeczywistym z pobliskiej stacji bazowej lub sieci referencyjnej w celu osiągnięcia dokładności na poziomie centymetra. Koryguje błędy, takie jak orbita satelity i błędy zegara, opóźnienia atmosferyczne i efekty wielościeżkowe. RTK zależy od przestrzennej korelacji tych błędów między stacją bazową a odbiornikiem ruchomym.

PPP to samodzielna technika GNSS, która nie wymaga pobliskiej stacji bazowej. Wykorzystuje dokładne informacje o orbicie satelitarnej i zegarze, a także globalne modele atmosfery, aby skorygować błędy. PPP może współpracować z odbiornikami jedno- lub dwuczęstotliwościowymi i może zapewnić bardzo precyzyjne pozycjonowanie w dowolnym miejscu na świecie bez lokalnych stacji referencyjnych.

Dokładność: RTK zazwyczaj osiąga lepszą dokładność niż PPP. RTK może zapewnić dokładność na poziomie centymetra, podczas gdy PPP może zapewnić dokładność na poziomie poniżej decymetra do centymetra, w zależności od implementacji i dostępności danych korekcyjnych.

Czas konwergencji: RTK generalnie ma szybszy czas konwergencji, często dostarczając bardzo precyzyjne wyniki w ciągu kilku sekund do kilku minut. Dzięki temu nadaje się do zastosowań w czasie rzeczywistym. PPP ma zwykle dłuższy czas zbieżności, czasem osiągnięcie pełnego potencjału dokładności zajmuje od kilku minut do kilku godzin. To sprawia, że PPP mniej nadaje się do zastosowań w czasie rzeczywistym, które wymagają natychmiastowych, bardzo precyzyjnych wyników.

Wymagania dotyczące infrastruktury: RTK wymaga pobliskiej stacji bazowej lub dostępu do sieci referencyjnej, co może wiązać się z dodatkowymi kosztami i konserwacją. Ogranicza to również wydajność RTK na obszarach, gdzie zasięg stacji referencyjnych jest słaby lub nie istnieje.

PPP nie wymaga lokalnych stacji referencyjnych, co może uczynić go bardziej dostępnym i opłacalnym, zwłaszcza w odległych obszarach. Jednak PPP opiera się na dostępności dokładnych danych korekcyjnych, które są zwykle dostarczane przez globalne lub regionalne usługi i mogą wiązać się z opłatami abonamentowymi.