Повышение точности спутниковой навигации с помощью RTK-технологии

Введение

Метод спутниковой навигации, используемый для повышения точности данных о местоположении, представляет собой применение геодезических измерений для коррекции общих ошибок в современных системах спутниковой навигации (GNSS). Он использует измерения фазы несущей частоты сигнала в дополнение к информационному содержанию сигнала и опирается на одну базовую станцию или интерполированную виртуальную станцию для предоставления коррекций в реальном времени, обеспечивая точность до сантиметра (см. DGPS). В частности, применительно к GPS, система обычно называется методом фазовой коррекции или CPGPS.

Отслеживание фазы носителя

RTK следует той же общей концепции, но использует несущую частоту спутникового сигнала в качестве своего сигнала, игнорируя содержащуюся в нем информацию. RTK использует фиксированную базовую станцию и подвижный приемник (ровер) для уменьшения погрешности определения положения ровера. Базовая станция передает данные коррекции роверу. Как описано в предыдущем разделе, дальность до спутника по сути рассчитывается путем умножения длины волны несущей на количество полных циклов между спутником и ровером и добавления разности фаз. Определение количества циклов – нетривиальная задача, поскольку фаза сигнала может быть сдвинута на один или несколько циклов. Это приводит к ошибке, равной ошибке в оценке количества циклов, умноженной на длину волны, которая составляет 19 см для сигнала L1. Решение этой так называемой задачи поиска целочисленной неоднозначности позволяет достичь сантиметровой точности. Ошибку можно уменьшить с помощью сложных статистических методов, сравнивающих измерения сигналов C/A и сопоставляющих полученные дальности между несколькими спутниками. Потенциальное улучшение при использовании этой техники очень велико, если продолжать исходить из 1% точности захвата сигнала. Например, в случае GPS, код грубого позиционирования (C/A), передаваемый в сигнале L1, меняет фазу на 1,023 МГц, в то время как сама несущая L1 имеет частоту 1575,42 МГц и меняет фазу более чем в тысячу раз чаще. Таким образом, погрешность в ±1% при измерении фазы несущей L1 соответствует погрешности в ±1,9 мм при определении базовой линии. Это позволяет устройствам вычислять свое относительное положение с точностью до миллиметров, хотя их абсолютное положение будет точно лишь с той же точностью, что и вычисленное положение базовой станции. Для RTK с одной базовой станцией можно достичь точности 8 мм + 1 ppm (частей на миллион / 1 мм на км) в горизонтальной плоскости и 15 мм + 1 ppm в вертикальной, относительно базовой станции, в зависимости от устройства. Например, при расстоянии до базовой станции 16 км (чуть менее 10 миль), относительная горизонтальная погрешность составит 8 мм + 16 мм = 24 мм (чуть менее дюйма). Хотя эти параметры ограничивают применимость техники RTK для общей навигации, она идеально подходит для таких задач, как геодезия. В этом случае базовая станция располагается в известной геодезической точке, часто в реперной, и мобильные устройства могут создавать высокоточную карту, определяя свое положение относительно этой точки. RTK также находит применение в системах автопилотирования, точном земледелии, системах управления станками и аналогичных областях. Сетевой RTK расширяет область применения RTK, используя сеть опорных станций. Операционная надежность и точность зависят от плотности и возможностей сети опорных станций. При использовании сетевого RTK можно достичь точности 8 мм + 0,5 ppm в горизонтальной плоскости и 15 мм + 0,5 ppm в вертикальной, относительно ближайшей станции, в зависимости от устройства. Виртуальная опорная сеть (VRN) также может повысить точность без использования базовой станции.

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.