Спутниқтық навигацияның нақтылығын арттыру технологиясы

Кіріспе

Реалдық уақыттағы кинематикалық позициялау (RTK) – қазіргі спутниктік навигация (GNSS) жүйелеріндегі жалпы қателерді жоюға арналған геодезиялық өлшемдерді қолдану. Бұл жүйе сигналдың ақпараттық мазмұнымен қатар, сигналдың тасымалдаушы толқынының фазасын өлшеуге негізделген және нақты уақыт түзетулерін беру үшін бір эталондық станцияны немесе интерполяцияланған виртуалды станцияны пайдаланады, осылайша сантиметрлік дәлдікке қол жеткізеді (DGPS-ке қараңыз). Атап айтқанда, GPS жүйесіне қатысты бұл технология тасымалдаушы фазаны күшейту (CPGPS) деп аталады.

Тасымалдаушы фазаның ізін сақтау

RTK бірдей жалпы принципке сәйкес келеді, бірақ сигналды тасымалдаушы толқыны арқылы жеткізеді, ақпараттық мазмұнын ескермейді. RTK ровердің қатесін азайту үшін тұрақты базалық станция мен роверді пайдаланады. Базалық станция роверге түзету деректерін жібереді. Бұрынғы бөлімде сипатталғандай, спутникке дейінгі қашықтық негізінен тасымалдаушы толқын ұзындығын спутник пен ровер арасындағы толық циклдар санына көбейту және фазалық айырманы қосу арқылы есептеледі. Циклдар санын анықтау оңай емес, себебі сигналдар бір немесе бірнеше циклға фазалық ығысуға ұшырауы мүмкін. Бұл L1 сигналы үшін 19 см болатын толқын ұзындығына шаққандағы циклдар санын дұрыс есептемеу қатесіне тең келеді. Осы «бүтін санның екіұштылығын іздеу» мәселесін шешу сантиметрлік дәлдікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. C/A сигналдарынан алынған өлшемдерді салыстыру және бірнеше спутниктер арасындағы есептелген қашықтықтарды салыстыру арқылы күрделі статистикалық әдістерді қолдану арқылы қатені азайтуға болады. Бұл техниканы пайдалану арқылы қол жеткізілетін жақсарту, құлыптаудың 1% дәлдігін сақтай отырып, өте жоғары болуы мүмкін. Мысалы, GPS жүйесінде L1 сигналында таратылатын жалпы қол жеткізу (C/A) коды 1.023 МГц жиілігінде фазасын өзгертеді, ал L1 тасымалдаушысының өзі 1575.42 МГц жиілігінде, яғни мың есе жиірек фазасын өзгертеді. L1 тасымалдаушы фазасын өлшеудегі ±1% қате бастапқы бағалаудағы ±1.9 мм қатеге сәйкес келеді. Бұл құрылымдық бөлімдерге миллиметрлік дәлдікпен өзара орналасуын есептеуге мүмкіндік береді, бірақ олардың абсолютті орны базалық станцияның есептелген орнымен салыстырғанда дәлдігімен ғана шектеледі. Бір базалық станциясы бар RTK үшін құрылғыға байланысты 8 мм + 1 ppm (миллионнан бір бөлік / 1 мм км) көлденең және 15 мм + 1 ppm тік базалық станцияға қатысты дәлдікке қол жеткізуге болады. Мысалы, 16 км (10 мильден сәл кем) қашықтықтағы базалық станциясы үшін салыстырмалы көлденең қате 8 мм + 16 мм = 24 мм (бір дюймнен сәл кем) болады. Бұл параметрлер RTK техникасының жалпы навигациядағы тиімділігін шектесе де, техника геодезиялық жұмыстар сияқты салаларға өте қолайлы. Бұл жағдайда базалық станция белгілі бір орналасқан жерде орналасқан, көбінесе эталондық нүктеде, ал мобильді құрылғылар сол нүктеге қатысты түзетулерді есептеу арқылы жоғары дәл карта жасауға мүмкіндік алады. RTK автокөлік/автопилот жүйелерінде, дәлдік шаруашылығында, машиналарды басқару жүйелерінде және осыған ұқсас салаларда да қолданылады. Желілік RTK эталондық станциялар желісін қамтитын кеңірек аумақта RTK-ны пайдалануға мүмкіндік береді. Операциялық сенімділік пен дәлдік эталондық станциялар желісінің тығыздығы мен мүмкіндіктеріне байланысты. Желілік RTK көмегімен құрылғыға байланысты 8 мм + 0.5 ppm көлденең және 15 мм + 0.5 ppm тік жақын станцияға қатысты дәлдікке қол жеткізуге болады. Виртуалды эталондық желі (VRN) базалық станцияны пайдаланбастан да дәлдікті арттыра алады.

RTK follows the same general concept, but uses the satellite signal's carrier wave as its signal, ignoring the information contained within. RTK uses a fixed base station and a rover to reduce the rover's position error. The base station transmits correction data to the rover. As described in the previous section, the range to a satellite is essentially calculated by multiplying the carrier wavelength times the number of whole cycles between the satellite and the rover and adding the phase difference. Determining the number of cycles is non trivial, since signals may be shifted in phase by one or more cycles. This results in an error equal to the error in the estimated number of cycles times the wavelength, which is 19 cm for the L1 signal. Solving this so called integer ambiguity search problem results in centimeter precision. The error can be reduced with sophisticated statistical methods that compare the measurements from the C/A signals and by comparing the resulting ranges between multiple satellites. The improvement possible using this technique is potentially very high if one continues to assume a 1% accuracy in locking. For instance, in the case of GPS, the coarse acquisition (C/A) code, which is broadcast in the L1 signal, changes phase at 1.023 MHz, but the L1 carrier itself is 1575.42 MHz, which changes phase over a thousand times more often. A ±1% error in L1 carrier phase measurement thus corresponds to a ±1.9 mm error in baseline estimation. This allows the units to calculate their relative position to within millimeters, although their absolute position is accurate only to the same accuracy as the computed position of the base station. For RTK with a single base station, accuracy of 8mm + 1ppm (parts per million / 1mm per km) horizontal and 15mm + 1ppm vertical relative to the base station can be achieved, depending on the device. For example, with a base station 16 km (slightly less than 10 miles) away, relative horizontal error would be 8mm + 16mm = 24mm (slightly less than an inch). Although these parameters limit the usefulness of the RTK technique for general navigation, the technique is perfectly suited to roles like surveying. In this case, the base station is located at a known surveyed location, often a benchmark, and the mobile units can then produce a highly accurate map by taking fixes relative to that point. RTK has also found uses in autodrive/autopilot systems, precision farming, machine control systems and similar roles. Network RTK extend the use of RTK to a larger area containing a network of reference stations. Operational reliability and accuracy depend on the density and capabilities of the reference station network. With network RTK, accuracy of 8mm + 0.5ppm horizontal and 15mm + 0.5 ppm vertical relative to the nearest station can be achieved, depending on the device. A Virtual Reference Network (VRN) can similarly enhance precision without using a base station.