Метод множественных базовых станций

УДК 629.783:551.24 А.С. Рассказов СГГ А, Новосибирск

МЕТОД МНОЖЕСТВЕННЫХ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ

В попытке преодоления недостатков однобазовых измерений были разработаны методы, основанные на использовании сетей базовых GPS станций, чтобы уменьшать влияние коррелированных ошибок и таким образом улучшить точность позиционирования. Такие сети GPS станций можно использовать для измерения коррелированных ошибок в регионе и предсказывать их влияние (через улучшенные методы интерполяции) в пространстве и во времени в пределах сети. Этот процесс (сетевая RealTimeKinematic - кинематика в реальном времени) поможет уменьшить влияние коррелированных ошибок намного лучше, чем метод одиночной опорной станции. Опорные станции, распределенные в пространстве, охватывают намного большую площадь, чем в традиционном методе, и поддерживают при этом более высокий уровень исполнения.

Использование нескольких станций в широкозонном дифференциальном методе WADGPS для улучшения положений, определяемых по кодовым данным (или кодовым данным со сглаживанием по фазе несущей), было с большим успехом использовано и в пост-обработке, и в режиме реального времени. Естественное расширение этой концепции - использование более точных измерений фазы несущей в подобном сетевом методе. Однако переход от кодовых измерений к фазовым является не тривиальной задачей, преимущественно из-за более строгих требований к точности. Например, в большинстве кодовых измерений DGPS ограничивающим источником ошибок является шум измерений

и многопутность самого кода (ионосферные эффекты начинают играть роль только на очень больших расстояниях). Таким образом, такие ошибки как от атмосферы и от орбиты, влияние которых маскировалось более низкой точностью измерений в кодовом методе DGPS, в наблюдениях по фазе несущей выходят на передний план. Кроме того, для высокоточных определений по фазе требуется точное и надежное разрешение целых неоднозначностей. Наконец, расширение этой концепции в отношении требований пользователей, работающих в реальном времени, требует решения проблем, связанных с оптимальными схемами представления (параметризации) поправок и их распространением и передачей потенциальным пользователям в пределах (или вблизи) площади, охваченной сетью.

Применение сети базовых станций для выполнения фазовых измерений в реальном времени дает несколько преимуществ над обычным методом одиночных базовых линий. Одно из самых важных преимуществ, - это расширение надежности и доступности обслуживания. В сетевом методе, если одна или две станции неисправны одновременно, то их вклад можно

исключить из решения, а остальные базовые станции могут взять его на себя, чтобы обеспечить пользователя поправками, таким образом, сохраняя работу службы. Хотя в таких случаях точность положений может несколько пострадать, это не будет настолько плохо, как в методе с одной базовой станцией, что приводит к точечному позиционированию. В дополнение к этому, использование сетевого метода позволяет делать контроль качества поправок, образуемых по каждой базовой станции. Тогда, если отдельная станция генерирует ошибочные поправки, сеть позволяет выявить и исключить эту ошибку из окончательного решения.

Другое весьма важное преимущество сетевого метода состоит в том, что он позволяет моделировать зависящие от расстояния или пространственно коррелированные ошибки, такие как ионосферные и тропосферные влияния и ошибки орбит. При объединении наблюдений от нескольких постоянных базовых станций влияние упомянутых источников ошибок можно уменьшить посредством применения различных методов параметризации. Таким образом, поправки, компенсирующие эти ошибки, можно генерировать и распределять пользователям, улучшая общую точность положений. Прямой результат от моделирования пространственно коррелированных ошибок, -это возможность улучшения в разрешении неоднозначностей фазы несущей (включая очень длинные линии), что необходимо для получения координат потребителя на сантиметровом уровне точности. В действительности разрешение неоднозначностей на длинных базовых линиях приводит к другому важному преимуществу сетевого метода: к большему допустимому расстоянию между опорными станциями. Это непосредственно увеличивает охват площади, на которой можно работать методом RTK. Например, в большинстве случаев расстояния между станциями увеличиваются от 10 - 15 километров при использовании метода одиночных базовых линий до многих десятков километров при использовании сети базовых станций. Это позволяет значительно уменьшить количество базовых станций.

Наконец, сетевой метод позволяет образовывать наблюдения для виртуальной базовой станции, которая может располагаться ближе к станции пользователя, чем любая из постоянных реальных базовых станций, что приводит

к улучшению позиционирования. Такие преимущества метода виртуальных базовых станций обеспечивают большую гибкость, позволяя пользователю применять его текущие приемники и программы обработки, без приобретения какой-либо «специальной» программы обработки фазовых наблюдений, чтобы заботиться об одновременно принимаемых поправках от серии базовых станций.

Как и в любом методе, здесь также есть некоторые недостатки, связанные с использованием сети базовых станций. В частности, в зависимости от используемого метода возможно увеличение в объеме передаваемых данных и сложности в применении пользователем по сравнению с обычным методом RTK по одиночным базовым линиям. Объединение всех наблюдений сети на центральной станции обработки и

последующая передача либо поправок для пользователя, либо синтезированных наблюдений для виртуальной базовой станции (либо оба вида данных) являются предпочтительными методами для преодоления ограничений, связанных с шириной полосы пропускания данных. Наконец, чтобы метод был легко доступным для всех пользователей, необходимо, чтобы соответствующие опорные станции с очень хорошо известными координатами находились, непрерывно работали и распространяли поправки по технологии, которая применяется пользователями на обслуживаемой площади. Для организации метода, вероятно, потребуется диспетчерская (провайдерская) служба,

а отсюда следует еще один недостаток сетевого метода - более высокая стоимость применения и поддержания качества обслуживания.

Первый шаг сетевого RTK - измерение ошибок на базовых станциях. В большинстве случаев ошибки получаются как разности между наблюдениями фазы несущей (с зафиксированными неоднозначностями) и расстояниями, которые вычисляются по известным координатам станций. Эти ошибки можно измерить через сырые наблюдения фазы на L1 и L2. Для того чтобы изолировать различные источники ошибок и использовать преимущества от их уникальных характеристик.

Интерполяция коррелированных ошибок на положение приемника пользователя предполагает стохастическое и физическое (математическое) соотношение между ошибками. Например, все способы интерполяции дают результат по ближайшим опорным станциям, имея наибольшее влияние на предсказанные значения, потому что на близких базовых станциях более вероятно проявление тех же самых ошибок, что и у ровера, а не на тех пунктах, которые далеко.

Raquet (1998) предложил метод интерполирования найденных ошибок между станциями на положение пользователя, находящегося в любом месте сети. В этом методе внешний процесс определяет целые неоднозначности фазы несущей между опорными станциями. Эти неоднозначности затем используются для оценивания разностных ошибок между опорными станциями. Измеренные ошибки интерполируются на пользователя в сети линейным методом с предсказанием по МНК. Ковариационные функции представляют стохастическое поведение ошибок, которые должны определяться на внешнем наборе (выходе). Метод был применен в действующей системе в реальном времени и обеспечил хорошее улучшение в реальном времени и в постобработке (Cannon et al., 2001a, 2001b; Fortes et al., 2000a, 2000b, 2001; Alves et al., 2001; Raquet et al., 1998; Raquet, 1998; Zhang, 1999a; Zhang & Lachapelle, 2001).

В работах Wanninger (1999), Vollath (2000a) и Wubbena (2001a) обсуждается несколько иная схема интерполяции, где для определения поправок для пользователя используются три окружающих станции. В этой более простой модели для оценивания ошибок подбирается плоскость по трем ближайшим станциям. Эта плоскость представляет двумерные дифференциальные ошибки внутри треугольника из трех окружающих

станций. Доказано, что метод обеспечивает хорошие результаты при спокойной ионосфере и при сравнительно высокой плотности станций в сети.

Как только поправки для мобильной станции определены, их нужно передать на приемник пользователя в удобном формате. Традиционный метод одиночных базовых линий имеет большое влияние на этот процесс, поскольку большинство коммерческих приемников еще не имеют возможности принимать сетевые поправки. Чтобы компенсировать этот недостаток, многие системы сетевой RTK создают виртуальные базовые станции (Virtual Reference Station, VRS). VRS - это набор исправленных данных от одного опорного приемника

(в сети), которые были исправлены для локальной площади внутри сети. Эти данные обычно геометрически приводятся к точке, близкой к району работ, для которого ведется исправление. Мобильная станция (МС) может принимать виртуальную опорную станцию за одиночную опорную станцию. Этот процесс описан в Fotopoulos (2000).

В общем, в методе VRS создается «опорная станция» для использования со стандартными off-the-shelf приемниками, которые не могут принимать сетевые поправки. Есть много недостатков у этого метода. МС будет интерпретировать VRS как одиночную базовую станцию, которая может заставить МС использовать схему обработки, не являющуюся оптимальной (Townsend et al., 2000).

В большинстве случаев МС будет оптимизировать схему обработки, основанную на расстоянии между ее положением и опорной станцией. В случае VRS положение виртуальной станции является произвольным, поскольку основано на сети станций. Решение должно иметь гарантию провайдера службы о том, что VRS находится на соответствующем расстоянии от пользователя, чтобы оптимизировать схему обработки, но это не всегда возможно, если пользователей много. Это требует иметь провайдера, который должен знать приближенное положение пользователей. В этом случае МС должна сообщать свое положение через NMEA сообщение на обрабатывающий контрольный центр, чтобы гарантировать, что интерполяция производится на правильное положение. Для этого необходима сложная двусторонняя связь, что является другим недостатком метода (Euler et al., 2001). Ограничение для этого метода - ему не подходит стандарт RTCM, поскольку он не позволяет данные опорной станции корректировать за ошибки от атмосферы или от орбит (Townsend et al., 2000).

Будущее метода MRS. Текущие рекомендации касаются главным образом стандартизации сообщений для сетевой RTK. Как только создание стандарта для сетевых поправок будет осуществлено, то сетевые поправки можно будет засылать прямо в приемник МС без необходимости в VRS. В работе Townsend (2000) предлагается схема, основанная на сетке, где поправки для разных точек на нерегулярной сетке посылаются в приемник МС. Он может для вычисления и введения поправок использовать схему интерполяции. Точки сетки могут содержать только опорные станции или

опорные станции и предсказанные ошибки, которые были определены путем интерполяции.

Подобная схема предлагается в работе Euler et al. (2001), по которой поправки для главной опорной станции и координаты для главной станции даются вместе с поправками и разностями координат относительно главной станции. По этой схеме приемник МС имеет возможность интерполировать поправки на свое положение или просто восстанавливать наблюдения для одной опорной станции. Это дает изготовителям приемников свободу в применении любой интерполяционной схемы, которую они считают наилучшей.

Хотя методы MRS RTK доказали свою эффективность в опытных сетях, оперативное размещение остается сложным, а высокий уровень ионосферной активности ограничил их преимущество в течение последних нескольких лет, когда метод проходил испытания. Серьезные последствия надежности сохраняются. Однако ожидается введение 2-й и 3-й гражданских частот, а также объединенное использование GPS и Galileo, что будет иметь решающее влияние на эффективность и крупномасштабное развертывание этих методов в ближайшем десятилетии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. G. Lachapelle, P. Alves. Multiple Reference Station Approach: Overview and Current Research //Journal of Global Positioning Systems (2002) Vol. 1, No. 2, pp133-136. - Англ.

2. Е.И. Суницкий. Широкозонные системы спутниковой дифференциальной навигации // Геопрофи. - 2006. - № 3. - С. 12 - 14.

3. G. Fotopoulos and M.E. Cannon An Overview of Multi-Reference Station Methods for cm-Level Positioning // GPS Solutions (2001), Vol. 4, No. 3, pp. 1-10. - Англ.

4. M. O. Kechine, C. C. J. M. Tiberius, H. van der Marel An experimental performance analysis of real-time kinematic positioning with NASA’s Internet-Based Global Differential GPS// GPS Solutions (2004) 8:9-22. - Англ.

© А.С. Рассказов, 2006