Демистификация ГНСС-поправок
Предположим, необходимо надёжное и точное глобальное позиционирование для производства. Значит, придётся провести небольшое исследование и решаете приобрести многочастотный приёмник ГНСС. Но как добиться от приёмника той высокой точности, которую он обещает? Приёмники ГНСС полагаются на внешние поправки для компенсации различных недочётов, называемых ошибками ГНСС, для максимально быстрого достижения дециметровой или даже сантиметровой точности уровня.
Позиционирование на основе ГНСС рассчитывается с использованием метода, точность которого сама по себе ограничена из-за ошибок, вызванных спутниками ГНСС, а также атмосферой Земли.
Спутники ГНСС – это, по сути, высокоточные синхронизированные часы, вращающиеся вокруг Земли, постоянно передающие информацию о своём местоположении и времени. Пользовательский приёмник ГНСС получает сигналы от нескольких таких «летающих часов» и вычисляет расстояние до каждого спутника. Когда приёмник знает расстояние как минимум до четырёх спутников, он может определить своё собственное положение. Однако на точность этого положения влияют определённые ошибки.
Даже самые современные часы на борту спутников испытывают незначительные отклонения, которые вызывают ошибки. Движение спутников ГНСС по орбите вокруг Земли прогнозируется. Эти прогнозы неидеальны, что приводит к так называемым орбитальным ошибкам. Кроме того, спутниковое оборудование вносит небольшие ошибки сигнала, которые трактуются как смещения спутников. Помимо спутниковых ошибок, есть еще и атмосферные ошибки, которые вызваны искажениями и задержками, которые испытывает сигнал при его прохождении через ионосферу Земли (внешний слой) и тропосферу (слой у поверхности Земли). Наконец, локальная среда вокруг приёмника, а также сам приёмник вносят свои ошибки. Например, спутниковые сигналы могут отражаться от зданий и высоких сооружений – явление, называемое многолучевым распространением.
Приёмник не может самостоятельно исправлять спутниковые и атмосферные ошибки и полагается на данные, предоставленные внешним источником. Ошибки часов и орбиты зависят от спутников, что означает, что они одинаковы во всем мире. С другой стороны, атмосферные ошибки зависят от пути, по которому сигнал проходит от спутников к пользователю, и, следовательно, различаются в зависимости от местоположения приёмника.
Чтобы преодолеть как спутниковые, так и атмосферные ошибки, можно использовать опорную (или базовую) станцию. Опорная станция – это приёмник ГНСС, установленный в фиксированном и точно известном месте, который оценивает ошибки и отправляет их в виде поправок на приёмник пользователя. Опорная сеть состоит из взаимосвязанных опорных приёмников на определённой территории.
Ошибки со стороны приёмника можно устранить лишь частично с помощью надёжной технологии приёмника и аккуратной эксплуатации. В зависимости от того, какой тип поправок применяется, инициализация может занять от нескольких секунд до нескольких минут, пока не будет достигнута высокая точность.
До недавнего времени RTK и PPP были общепринятыми методами предоставления поправок ГНСС пользовательским приёмникам. В настоящее время растёт спрос на высокоточное позиционирование, открывая путь для новых методов позиционирования, таких как гибридный PPP-RTK.
В методе RTK (кинематика в реальном времени) пользовательский приёмник получает поправки от одной базовой станции или от локальной опорной сети. Затем он использует эти данные для устранения большинства ошибок ГНСС. RTK основан на том принципе, что базовая станция и пользовательский приёмник расположены близко друг к другу (максимум 40 км или 25 миль) и, следовательно, «видят» одни и те же ошибки. Например, поскольку ионосферные задержки одинаковы как для пользователя, так и для опорной станции, они могут быть исключены из решения, что обеспечивает более высокую точность.
В то время как в методе RTK поправки предусмотрены для конкретного местоположения, в методах PPP и PPP-RTK модель поправок транслируется на большую территорию, но с немного меньшей точностью. Для передачи этой модели коррекции можно использовать формат сообщения, называемый SSR (Space State Presentation). В отрасли существует некоторая путаница в отношении термина «SSR», поскольку он часто ассоциируется с более новым методом PPP-RTK. Но будьте осторожны, поскольку «SSR» иногда используется как модное слово для обозначения традиционных услуг PPP.
Поправки PPP (точное позиционирование точки) содержат только ошибки спутниковых часов и орбиты. Поскольку эти ошибки зависят от спутника и, следовательно, не зависят от местоположения пользователя, во всём мире необходимо лишь ограниченное количество опорных станций. Поскольку атмосферные ошибки не включаются в поправки PPP, с помощью этого метода может быть достигнут только более низкий уровень точности и ожидается более длительное время инициализации, до 20-30 минут, что может оказаться непрактичным для некоторых приложений. PPP традиционно использовался в морской отрасли и сегодня распространился на различные наземные приложения, такие как сельское хозяйство, как удобный способ получения глобальных поправок ГНСС.
PPP-RTK (также известный как SSR) – это последнее поколение служб коррекции ГНСС, сочетающих в себе точность, близкую к RTK, и быстрое время инициализации с широковещательной природой PPP. Базовая сеть со станциями примерно через каждые 150 км (100 миль) собирает данные ГНСС и рассчитывает как спутниковые, так и атмосферные модели поправок. Как объяснялось выше, атмосферные поправки носят региональный характер, поэтому необходима более плотная эталонная сеть, чем для PPP. Эти поправки затем транслируются абонентам в этом районе через интернет, спутниковую связь или услуги связи. Подписанные приёмники используют модель транслируемых поправок для вывода поправок, зависящих от местоположения, что приводит к субдециметровой точности.
Некоторые приёмники ГНСС также включают расширенные алгоритмы позиционирования для компенсации таких проблем, как многолучевость, помехи и спуфинг. Это добавляет надёжности и устойчивости к высокоточному позиционированию.
Современные промышленные приемники часто получают свои поправки ГНСС через службу подписки, доставляемую через интернет (с использованием протокола NTRIP), спутник или 4G/5G. Сегодня рынок корректирующих услуг переживает бум, обусловленный высокими требованиями к точности, предъявляемыми автомобильной промышленностью, автоматизацией и интеллектуальными потребительскими устройствами. Поставщики автомобилей и многие другие новые игроки развёртывают инфраструктуру для настройки сервисов для позиционирования на сантиметровом уровне по всему миру.
Поправки PPP и PPP-RTK могут даже передаваться напрямую спутниками ГНСС, как в японской службе CLAS от группировки QZSS или в планируемой Службе высокой точности (HAS) от Galileo. В зависимости от плотности сети и качества моделирования ошибок могут быть достигнуты разное время инициализации и точность. Это означает, что качество позиционирования может варьироваться от одного поставщика услуг к другому.
Крупные телекоммуникационные компании, такие как Deutsche Telekom, а также японские Softbank и NTT, оборудуют свою инфраструктуру приёмниками ГНСС для предоставления новых услуг по исправлению ошибок. 3GPP, который предоставляет спецификации для мобильной телефонии, включая LTE, 4G и 5G, теперь охватывает широковещательную передачу спутниковых поправок ГНСС в своём мобильном протоколе. Поскольку эталонные приёмники становятся частью критически важной инфраструктуры, такой как телекоммуникационные вышки, важно, чтобы они обладали высоким уровнем безопасности, чтобы защитить их от потенциальных атак с помехами.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный канал на TamTam