RTPK

RTPK - данные РТК впервые используются в постобработке

Технология вычисления координат в квазиреальном времени, основанная на постобработке данных, была разработана в 2020 г. основателем компании JAVAD GNSS доктором Джавадом Ашджаи и получила название Real Time Post processesed Kinematic (RTPK). В 2021 г. технология RTPK была запатентована в США.

Основные особенности RTPK:
— используются данные, полученные в режиме RТК;
— постобработка выполняется спутниковым приемником;
— проводится верификация (проверка) фиксированного решения.

Рис. 1 Отзыв Рона Клонингера (Ron Cloninger) о применении метода RTPK на форуме компании JAVAD GNSS

Для постобработки с помощью RTPK необходимы данные спутниковых измерений на базовой станции, передаваемые в формате RTCM 3, которые сохраняются в файле подвижного приемника (ровера). В ГНСС-приемниках компании JAVAD GNSS такая возможность предусмотрена.

Вычисления выполняются на процессоре RISC-архитектуры, который одновременно обрабатывает спутниковые сигналы, поддерживает связь с базовой станцией и работу в режиме RТК.

Алгоритм обработки аналогичен тому, что применяется Интернет-сервисе DPOS компании JAVAD GNSS, хорошо зарекомендовавшем себя в США за 7 лет работы. Количество обращений к сервису на обработку превышает 100 000 в месяц.

Рассматриваемый в статье метод RTPK уже получил заслуженное признание у сотен воспользовавшихся им американ- ских геодезистов. С одним из таких отзывов можно ознакомиться на открытом форуме компании JAVAD GNSS — http://support.javad.com (рис. 1).

Современные проблемы метода RTK

Основной проблемой работы в RTK является проверка достоверности фиксированного решения. С развитием новых глобальных навигационных спутниковых систем появились дополнительные возможности ее преодоления. В большинстве алгоритмов поиска целочисленных значений фазовых неоднозначностей основным критерием является контраст — отношение сумм квадратов невязок двух наилучших целочисленных вариантов. В не столь отдаленные времена, когда были доступны сигналы только GPS и ГЛОНАСС, последовательный перебор целочисленных значений быстро приводил или к предустановленному эмпирическому значению контраста, или к полному исчерпанию возможных вариантов. Ситуация резко изменилась с появлением новых группировок ГНСС, таких как Galileo, Beidou, QZSS. При одновременном наблюдении большого количества спутников, передающих сигналы в трех диапазонах, критически возросла вероятность случайного выбора недостоверных данных, которые, тем не менее, в совокупности удовлетворяют критериям фиксированного решения.

Практика работы в RTK показала, что однократные измерения не гарантируют достоверность решения. Оценка точности вычислений координат обоснована только в случае безошибочной инициализации фазовых измерений. Однако критерии средней квадратической погрешности или геометрического фактора (PDOP) не являются содержательными для проверки достоверности фиксации неоднозначностей.

В большинстве случаев исполнитель вынужден неоднократно повторять определения координат одной и той же точки. Модификациями повторных результатов через определенные интервалы времени являются измерения с измененной высотой антенны или измерения на дополнительных точках с контрольными промерами расстояний между ними с помощью рулетки. Естественно, это приводит к потере времени.

Какие решения предлагают производители ГНСС-оборудования? Один из наиболее популярных вариантов — раздельная обработка сигналов спутниковых систем или их произвольных комбинаций. Полученные независимые решения сравниваются по значениям координат на предмет их соответствия, устанавливаемого на основе оценки точности. При удовлетворении допусков окончательное решение вычисляется как средневзвешенное. Указанный многопоточный подход уменьшает вычислительные нагрузки, что позволяет применять его на менее мощных процессорах. Одновременно увеличивается достоверность решения.

Раздельная обработка данных имеет существенные недостатки. Во-первых, неясно по каким критериям следует комбинировать сигналы ГНСС: GPS + ГЛОНАСС, Galileo + Beidou и т. д. Актуальность комбинаций может существенно изменяться в связи с непрерывным развитием ГНСС. Во-вторых, еще более важным недостатком раздельной обработки является ослабление так называемого плавающего решения в связи с ухудшением геометрического фактора. Фиксированное решение вычисляется на основе плавающего, которое включает как координаты, так и неоднозначности. При этом координаты не являются целью плавающего решения. Такой целью является ковариационная матрица и величины неоднозначностей, но поскольку имеется корреляция параметров, то возможности фиксации будут также зависеть от точности предварительных координат. Указанная точность координат, в свою очередь, зависит от количества спутников, использованных в конкретном решении, и геометрии их расположения на небосводе. Иначе говоря, от геометриче ского фактора, который принято называть PDOP.

Известно, что алгоритмы RTK основаны на однонаправленной фильтрации данных. Каждая новая эпоха измерений может являться основанием для инициализации фазовых измерений или уточнения координат. Критерий получения фиксированного решения основан, в первую очередь, на значении контраста, который вычисляется на коротком временном окне. Благодаря такому подходу можно выполнить быструю инициализацию фазовых измерений и далее, сохраняя фиксированное решение, уточнять его с каждой новой эпохой. Традиционно при постобработке не применяется такой подход, поэтому до настоящего времени метод RTK был предпочтителен для работы в сложных условиях. Анализ набора данных полной сессии наблюдений, выполненных в неблагоприятных условиях, требует значительного количества итераций с целью отбраковки недостоверных измерений, которых может быть слишком много для достижения результата вычислений за приемлемое время. Поэтому постобработка часто не дает результата даже при продолжительных сессиях наблюдений.

Алгоритмы фильтрации имеют множество эмпирических параметров, которые являются настройками обработки — веса кодовых и фазовых измерений, временной фактор уменьшения веса прошедших эпох, оценка случайного шума системы, блиндирование сигналов по углу восхождений и азимуту и т. д. Путем настройки параметров с помощью тех же алгоритмов RTK при постобработке можно добиться значительно более лучших результатов, чем в режиме реального времени.

Преимущества метода RTPK

RTPK использует преимущества как постобработки, так и RTK. Двунаправленный алгоритм фильтрации не только предоставляет дополнительные возможности для инициализации фазовых измерений — получения так называемого фиксированного решения, но и увеличивает количество эпох, используемых для вычисления координат.

Все имеющиеся сигналы ГНСС обрабатываются совместно, обеспечивая максимальное значение PDOP.

В случае применения RTPK нет необходимости выполнять повторные наблюдения на одной и той же точке. Параметры фильтрации устанавливаются на основании предварительной проверки статистических гипотез, выполняемой на полном ряде наблюдений. Верификация целочисленного решения проводится внутри оригинального алгоритма обработки ковариационной матрицы плавающего решения путем сопоставления так называемых частичных решений еще на этапе обработки ковариационной матрицы. Достоверность вычисленных координат будет лучше, чем при использовании метода RTK.

Время постобработки данных в различных ГНСС-приемниках компании JAVAD GNSS составляет примерно 1/20–1/60 от времени наблюдений. Рекомендуемое время наблюдений в экстремальных условиях при полностью «закрытом небосводе» равно 6 минутам. Если условия наблюдений хорошие, то достаточно 5–6 секунд. Таким образом, будет справедливо утверждение, что RTPK является квази RTK методом, поскольку обработка данных занимает в большинстве случаев порядка одной секунды.

В случае потери радиосигнала, передающего поправки, предусмотрена возможность скачать файл измерений, полученных на базовой станции, на подвижный приемник и получить решение непосредственно в полевых условиях. Во многих случаях это может быть очень полезно.

Применение полной калибровочной таблицы антенны, учитывающей не только зависимость от угла восхождения спутника, но и от азимута, значительно повышает точность вычисления вертикальной компоненты решения. Обычное расхождение решений на расстояниях до 15 км при нормальных условиях составляет 1–2 мм по всем трем координатам.

Пример сравнения RTK и RTPK в сложных условиях

Рис. 2 Расположение ГНСС-приемника TRIUMPH-LS во время испытания

В данном испытании ГНСС-приемник TRIUMPH-LS был установлен у стены кирпичного дома, окруженного многолетними деревьями (рис. 2). Вследствие сильной многолучевости условия наблюдения в таком месте были хуже, чем даже непосредственно под кронами деревьев. Приемник принимал сигналы GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou, QZSS. Каждые 2 минуты автоматически записывались решения RTK и RTPK.

Статистика измерений в RTK (рис. 3) и в RTPK (рис. 4) показывает, что использование метода RTK позволило получить 45 точных решений, а RTPK — 93 точных решения. Таким образом, эффективность RTPK оказалась выше в 2 раза.


Рис. 3 Статистика результатов измерений в режиме RTK: 60 плавающих решений, 16 «отлетов» («отлет» — отклонение от точного значения на 3 см)
Рис. 4 Статистика результатов измерений методом RTPK (5 плавающих решений, 23 «отлета»)

Настройки ГНСС-приемника TRIUMPH-LS позволяют сравнивать оба решения и при их совпадении автоматически записывать результат (рис. 5). Как показали испытания, такой подход обеспечивает высокую надежность фиксированного решения (свыше 99,99%).

Рис. 5 Пример отображения на экране ГНСС-приемника TRIUMPH-LS результатов сравнения решений RTK и RTPK

Обработка длинных базисных линий

Расширенное моделирование тропосферного эффекта, возможное только при постобработке, позволяет выполнять надежные определения координат на больших расстояниях от базовой станции, тогда как обычный RTK нельзя рекомендовать при удалении от базовой станции свыше 40 км.

На рис. 6 приведена статистика результатов обработки линий длиной 25, 36, 56 км по единичным независимым эпохам в RTPK. Использовались спутники GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou, QZSS. Полные сессии наблюдений составляли 4 часа. Было выполнено 14 401 вычисление.

Рис. 6 Статистика измерений в RTPK для разных длин линий