Новейшая технология обработки информации со спутников ГНСС от Trimble

По материалам «White Paper Trimbe HD-GNSS PROCESSING»

TRIMBLE SURVEY DIVISION

WESTMINSTER, COLORADO

USA September 2012.

Москва, ЗАО «ПРИН», декабрь 2013 года

Введение

В последние годы технологии отслеживания и обработки сигналов от спутниковых систем глобальной навигации значительно улучшились. Продолжает увеличиваться количество спутников на орбите и число доступных сигналов. Вводятся в строй новые системы, расширяются и модернизируются существующие. На сегодняшний день имеются четыре спутниковых группировки: 2 полностью работоспособные системы (ГЛОНАСС – РФ, GPS (NAVSTAR) - США) и 2 находятся на стадии развертывания (BeiDou - КНР и Galileo - ЕС), при этом данные со спутников BeiDou уже можно использовать в повседневной работе. В результате увеличивается зона применимости спутниковых измерений для целей геодезии. Данная статья посвящена обзору улучшений, произошедших в системе обработки спутниковой информации, новому алгоритму обработки измерений, который определяет точное положение фазового центра антенны спутникового геодезического приемника по обработке наблюдений по фазе несущей.

Обучающие видеоуроки по обработке в Trimble Business Center

В настоящее время компания Trimble использует новейшие и самые передовые алгоритмы при постобработке спутниковых данных и при работе в режиме кинематики реального времени (RTK). Имя этой технологии - Trimble HD-GNSS.

 

Trimble HD-GNSS имеет следующие преимущества по сравнению со старыми алгоритмами обработки:

  • более надежное решение в сложных условиях приема сигналов;
  • сокращение времени, необходимого для выполнения инициализации;
  • повышение точности определения положения.

 

В режиме реального времени сокращается время инициализации, повышается надежность и точность. При постобработке упрощается и ускоряется рабочий процесс и, обычно, не требуется дополнительных действий по корректировке исходных данных.

 

Немного теории

При обработке относительных измерений для частичного или полного исключения влияния погрешностей, вызванных не знанием точных координат и хода часов на спутниках, и искажениями, происходящими с сигналами в атмосфере, используется информация, получаемая одновременно и с подвижного приёмника («ровера»), и с базовой станции («базы»), так как эти погрешности для обоих приёмников практически идентичны. В алгоритме обработки используется фаза несущей для измерения на миллиметровом уровне точности расстояния от каждого спутника до приёмника. Такая точность достижима, поскольку фаза несущей имеет гораздо меньшую длину волны, чем кодовый сигнал. Кодовый сигнал имеет эффективную длину волны, которая определяется длиной чипа (битового кода). Например, для системы GPS длина чипа C/A-кода (код свободного доступа) ~ 300 метров, длина же волны несущей на частоте L1 – 0,19 метров. Как линейка с более точной ценой деления фаза несущей используется для более точного измерения расстояния приёмник-спутник.

 

Как показано на рисунке 1 несущая (красная линия) может быть представлена в виде простой синусоиды. Фаза несущей измеряется по сдвигу измеряемой фазы сигнала, принимаемого со спутника, относительной эталонной фазы сигнала, генерируемого приёмником. В момент подачи питания генерирование фазы несущей в приёмнике начинается заново и не зависит от хода часов на спутнике. При первом измерении после захвата сигнала со спутника может быть измерена только дробная часть фазы (сдвиг фазы). Фактическим расстоянием между спутником и антенной приемника является сумма этого «сдвига» и неизвестного количества целых длин волн. Неизвестное число длин волн называется «фазовой неоднозначностью». Для корректного определения расстояния, алгоритм обработки должен правильно вычислять данную «неоднозначность».

 

Рис. 1. Фазовая неоднозначность - это неизвестное целое число длин волн фазы несущей между приемником и спутником.

 

Традиционные алгоритмы обработки спутниковых измерений использует комбинации (одинарные, двойные и тройные разности, свободные от влияния ионосферы комбинации и т.д.) полученных данных от «базы» и «ровера», для определения числа целых длин волн между приёмником и спутником. При обычной обработке выполняется два этапа:

  1. • Получение "плавающего" (float) решения по кодовому сигналу и фазе несущей.
  2. • Поиск целочисленных значений неоднозначностей – «разрешение неоднозначностей». При успешном завершении второго этапа решение становится "фиксированным" (fixed).

 

Точность плавающего решения, прежде всего, обусловлена влиянием шумов кодового сигнала. Это решение довольно грубо. Точность плавающего решения при хороших условиях приема сигнала составляет несколько дециметров и не имеет ценности при большинстве высокоточных геодезических работ. В сложных условиях или на длинных базовых линиях плавающее решение, зачастую, может не переходить к фиксированному в течение длительного периода времени, что негативно сказывается на скорости выполнения работ.

 

В таких алгоритмах имеется ряд недостатков при разрешении фазовой неоднозначности и получении фиксированного решения. Например, пользователь не может быть уверен в получаемой точности, пока решение не сойдется к фиксированному. Кроме того, существует вероятность значительной погрешности измерения, если алгоритм обработки неправильно разрешил фазовую неоднозначность. При этом, верные значения отбрасываются и не используются вновь до тех пор, пока система автоматической проверки не обнаружит проблему. При RTK съёмке это приводит к грубым погрешностям при определении местоположения при допустимой оценке точности, как показано на рисунке 2, где оценки точности решения представлены в виде эллипсов различного цвета.

Рис. 2. Старые алгоритмы обработки данных допускают неточное плавающее решение и неправильное фиксированное решение в местах с плохими условиями для приема сигнала со спутника

 

Новейшая технология Trimble HD-GNSS

Технология Trimble HD-GNSS обеспечивает прорыв в алгоритмах разрешения фазовой неоднозначности, что стало возможным благодаря ряду факторов:

  • Со времени разработки первых алгоритмов проведены значительные улучшения в аппаратной части приемника (модернизация вычислительной мощности) для возможности использования новых алгоритмов обработки. В частности, приемники развивались вместе с увеличением доступности спутниковых сигналов. Первые геодезические приемники могли отслеживать только сигналы GPS на двух несущих частотах L1 и L2. Новейший 440-канальный приемник Trimble R10 способен отслеживать до 16 несущих частот, перечисленных в табл. 1.

 

Таблица 1. Возможности отслеживания сигналов приёмником Trimble R10

Система GNSS

Несущий сигнал

Частота (МГц)

GPS

L1

1575.42

 

L2

1227.60

 

L5

1176.45

GLONASS

L1

1602 + 0.5625*N

 

L2

1246 + 0.4375*N

Galileo

E1

1575.42

 

E5

1191.795

 

E5a

1176.45

 

E5b

1207.14

QZSS

L1

1575.42

 

L2

1227.60

 

L5

1176.45

 

LEX

1278.75

Compass

B1

1561.098

 

B2

1207.14

 

B3

1268.52

 

  • Современные антенны и приёмники намного лучше ослабляют влияние переотражения сигналов (многолучёвость). Погрешности, вызванные многолучёвым распространением сигнала, значительно уменьшаются в оцифрованном сигнале с помощью запатентованных методов обработки.
  • Доступность современной вычислительной техники способствует использованию наиболее совершенных алгоритмов отслеживания сигналов и обработки данных при RTK съёмке. Приёмник R10 использует СБИС (специализированная большая интегральная схема) Maxwell-6, разработанную Trimble, для обработки спутникового сигнала. Вычисления в режиме RTK осуществляются микропроцессором, который на несколько порядков мощнее и энерго эффективнее, чем его предшественники. При постобработке данных типовой персональный компьютер использует мощный многоядерный микропроцессор.

 

Все эти усовершенствования привели к более надежной методике обработки спутниковых измерений.

 

Для полноценного использования современных созвездий спутников и технологии Trimble Maxwell-6 приемник Trimble R10 и офисное программное обеспечение Trimble Business Center (TBC) теперь используют алгоритм обработки HD-GNSS. Технология Trimble HD-GNSS обеспечивает новый подход к разрешению целочисленных неоднозначностей, кардинально отличающейся от традиционного «фиксированное / плавающее» решения.

 

Разрешение неоднозначностей теперь заключается в процессе быстрой сходимости к решению с реалистичными оценками точности при отсутствии скачкообразного изменения точности, которое может происходить при переходе от плавающего к фиксированному решению. Пользователям больше не нужно фокусироваться на получении "фиксированного" решения, а можно сосредоточиться на требуемой точности определения местоположения. В нормальных условиях измерений сходимость результатов достигается моментально. И даже при работе на длинных базовых линиях или под кронами деревьев, как правило, достигаются хорошие результаты во время процесса сходимости. Технология Trimble HD-GNSS менее чувствительна к трудно прогнозируемым факторам, таким как многолучевость, которую теперь можно рассматривать как обычный фактор ухудшения точности

 

Алгоритм обработки Trimble HD-GNSS может разрешать неоднозначности, используя многочастотные измерения минимум от пяти спутников, общих для «базы» и «ровера». Последующее измерение на точке в режиме RTK позволяет достичь сантиметрового уровня точности при минимум двух эпохах измерений. Алгоритм обработки обеспечивает разрешение целочисленных неоднозначностей в виде непрерывного процесса при появлении новых спутников или потере слежения за сигналом. При использовании традиционных алгоритмов обработки в сложных условиях может произойти «срыв» инициализации и решение неизменно переходит в плавающее. При использовании Trimble HD-GNSS местоположение определяется непрерывно с реалистичными оценками точности, которые соответствуют условиям окружающей среды и видимости спутников. Это существенно увеличивает возможность определения местоположения в сложных условиях.

 

Рисунок 3 иллюстрирует изменение погрешности определения местоположения с течением времени при традиционной технологии и с использованием Trimble HD-GNSS. В традиционном алгоритме переход от плавающего решения к фиксированному выполняется после «сходимости» плавающего решения при сохранении значительных погрешностей плавающего решения. Решение Trimble HD-GNSS сходится очень быстро, и, как правило, достигает точностей на уровне фиксированного решения значительно быстрее.

Рис. 3. Алгоритм обработки Trimble HD-GNSS быстро разрешает целочисленные неоднозначности для получения точностей, сопоставимых с традиционным алгоритмом.

 

На рисунке 3 также показано, что традиционный алгоритм подвержен возникновению неверного фиксированного решения с высокой погрешностью определения местоположения. При этом пользователю выдается сообщение о допустимости точностных характеристик. Результаты работы алгоритма обработки Trimble HD-GNSS показывают более надежные оценки точности на протяжении всего процесса сходимости.

 

Применение технологии HD-GNSS в режиме реального времени

При съёмке в режиме реального времени (RTK), алгоритм Trimble HD-GNSS будет применяться, если используется приёмник Trimble R10 (рис. 4) и полевое программное обеспечения Trimble Access™. Пользователи могут убедиться, что инициализация происходит намного быстрее. В RTK приёмниках предыдущих поколений используется термин "инициализация" в традиционном понимании, чтобы описать процесс перехода от плавающего к фиксированному решению. Теперь "инициализация" определяется в более широком смысле - как процесс запуска съёмки RTK при помощи подключения к потоку данных от базовой станции или сервера VRS, а затем быстрой сходимости решения к сантиметровому уровню точности.

Рис. 4. Приемник Trimble R10, использующий алгоритм обработки Trimble HD-GNSS.

 

При применении нового алгоритма обработки Trimble HD-GNSS полевое программное обеспечение Trimble Access больше не отображает термины "фиксированный" или "плавающий" в процессе съёмки. На рисунке 5 показано, что, как только становятся доступны надёжные точностные характеристики, в процессе сходимости отображается более общий термин «RTK». Сантиметровый уровень точности достигается за считанные секунды после начала съёмки при благоприятных условиях.

 

Рис. 5. Строка состояния в ПО Trimble Access отображает "RTK", когда приёмник инициализирован. Обратите внимание на электронный уровень, который показывает, что прибор установлен вертикально в пределах установленного допуска.

 

После того, как произведена инициализация, Trimble R10 может сохранять результаты с отображаемым на экране уровнем точности. Это дает возможность работать в неблагоприятных для съёмки условиях, например, в условиях плотной городской застройки, где сигналы от большинства спутников могут быть недоступны. Пользователь может с уверенностью продолжать измерения в «затенённых» областях, пока отображаемые в программе на экране контроллера точности приемлемы для данного вида работ. ПО Trimble Access отображает в строке состояния зеленую галочку, которая означает, что достигнутая точность отвечает требованиям, заранее заданным пользователем (см. рис. 5).

 

Алгоритм обработки Trimble HD-GNSS в приёмнике Trimble R10 позволяет измерить точку всего за две эпохи, а в сочетании с электронным уровнем может автоматически обеспечить запись измерений только тогда, когда приёмник удерживается неподвижно и в вертикальном положении.

 

На точность работы в режиме RTK будут оказывать влияние такие фундаментальные понятия, как доступность сигналов со спутников, геометрия расположения спутников (DOP) на небесной сфере и длина базовой линии. Пользователи могут улучшить точность путём уменьшения расстояния до базовой станции или используя сетевое решение с технологией VRS. Тем не менее, пользователям по-прежнему рекомендуется, особенно в условиях плохого приёма сигналов, выполнять проверку разрешения неоднозначностей, например, путем выполнения контрольных измерений на известных пунктах, либо повторными измерениями при изменившихся внешних условиях.

 

Увеличение времени наблюдений повышает достоверность измерений. Многократные измерения обеспечивают независимую проверку по внутренней сходимости. Использование контрольных точек позволяет обеспечить контроль по внешней сходимости. Для получения результатов, максимально приближенных к истинному значению, рекомендуется выполнять сеансы статических измерений с последующей постобработкой.

 

Применение новых алгоритмов в процессе постобработки

Съёмка в режиме постобработки остается одним из самых точных и гибких методов, который не требует наличия прямой видимости между исходной и определяемой точками. Наличие прямой видимости в свою очередь является необходимым условием при проведении традиционных измерений оптическими инструментами. Даже при топографической съемке постобработка иногда предпочтительнее, чем режим реального времени (RTK), поскольку позволяет  пользователю работать без передачи данных по радио каналу или с использованием мобильного интернета.

 

Режим постобработки позволяет пользователю создать взаимосвязанную сеть опорных точек, которые обладают точными координатами, как по отношению друг к другу, так и в глобальной системе координат. Высокоточная контрольная сеть может значительно повысить эффективность измерений при проведении последующих работ.

 

Офисное программное обеспечение Trimble для постобработки Trimble Business Center (TBC) также использует алгоритмы Trimble HD-GNSS для увеличения производительности и уменьшения сложности процесса постобработки данных. В ТВС пользователь может добиться отличных результатов без ручного редактирования статических данных или изменения настроек системы.

 

Алгоритм постобработки, основанный на технологии HD-GNSS и реализованный в программе TBC, использует те же передовые методы обработки данных, что и микропрограммное обеспечение (firmware) приёмника Trimble R10, для сбора и фильтрации данных, разрешения фазовой неоднозначности и оценки точности. Оценки (в плане и по высоте) являются надежными и достоверными для любых условий наблюдений и должны быть использованы в качестве основных критериев при оценивании результатов обработки.

 

Рис. 6 иллюстрирует типичные результаты обработки базовых линий в TBC. Программа продолжает отображать тип "Фиксированное" и "Плавающее" в решениях базовых линий, но эти термины больше не указывают на то, что неоднозначности были решены в традиционном смысле. Эти термины теперь предназначены для классификации уровня точности решений базовых линий. Эту классификация может понадобиться для соответствия требованиям к отчетным материалам проекта.

 

Рис. 6. Диалоговое окно с результатами обработки базовых линий в программном обеспечении  Trimble Business Center

 

Программа ТВС автоматически определяет оптимальный метод для исключения влияния задержек сигнала вследствие прохождения сигнала через атмосферу Земли. Для коротких базовых линий эти задержки идентичны для «базы» и «ровера». Для более длинных базовых линий задержки не идентичны, и поэтому они моделируются и исключаются  иными методами.

 

Для измерений на двух или более частотах по фазе несущей на длинных базовых линиях задержки в ионосфере можно свести к минимуму путем использования при обработке комбинаций несущих, свободных от влияния ионосферы (ionofree). Эти комбинации сводят к минимуму влияние ионосферы, однако они не являются оптимальным из-за увеличения шума измерений. Поэтому алгоритм Trimble HD-GNSS при постобработке автоматически определяет оптимальную комбинацию фаз несущих для использования при любой кинематической траектории или статической базовой линии. Комбинация выбирается такой, что при коротких базовых линиях уменьшается шум фазы несущей, при длинных базовых линий - фаза несущей не подвержена смещениям, но  шум измерений несколько увеличивается.

 

Для базовых линий длиной более 20 км качество решений может быть улучшено при использовании точных эфемерид. Учитывая простоту скачивания точных эфемерид в ТВС, рекомендуется при доступности точных эфемериды использовать их всегда. Скачивание данных из интернета также может быть использовано для получения измерений с базовых станций, предоставляющих такую возможность.

 

Уравнивание сети векторов, обработанных в ТВС с помощью алгоритма Trimble HD-GNSS, стало нагляднее. Веса, назначаемые для каждого наблюдения в сети, являются более реалистичными благодаря улучшенной оценке точности в алгоритме обработки. При уравнивании сети сравнение оценок погрешностей и результатов, получаемых после уравнивания векторов, нужно выполнять после свободного или минимально ограниченного уравнивания, осле которого опорный коэффициент сети получается близким к единице. Это исключает дополнительный этап масштабирования чрезмерно оптимистичных оценок погрешностей, которые часто получались при использовании старых алгоритмов обработки (рис.7).

 

Рис. 7. При уравнивании по методу наименьших квадратов в Trimble Business Center опорный коэффициент сети обычно получается близким к 1,00 для векторов, обработанных с использованием алгоритма Trimble HD-GNSS.

 

Заключение

Достижения в области обработки спутниковых измерений, увеличение количества спутников и доступных сигналов, а также улучшение отслеживания сигналов в совокупности привело к возможности применения спутниковой методов при неблагоприятных условиях. Новые технологии устраняют трудности при работе как в режиме RTK, так и при постобработке, что открывает геодезисту возможность уверенно и точно определять координаты практически при любых условиях приёма сигнала со спутников.

 

Пользователь может сосредоточиться на получении заявленной точности, используя алгоритмы обработки Trimble HD-GNSS в приемнике Trimble R10 и офисном программном обеспечении Trimble Business Center.

 

При обновлении аппаратного и программного обеспечения вы всегда будете получать самую актуальную версию новейшего алгоритма Trimble HD-GNSS, способного в полной мере использовать весь потенциал дополнительных спутников и сигналов систем глобальной навигации для дальнейшего улучшения работы в сложных полевых условиях. Непрерывное технологическое развитие ГНСС, безусловно, обеспечит пользователей компании Trimble повышением точности и производительности работ и в дальнейшем.


Назад к списку новостей