Глобалните навигационни спътникови системи за определяне на местоположение и тяхното използване за планиране на терени в селското стопанство

Геометрията на взаимното разположение на спътниците, участващи в процеса на измерване също влияе на крайния резултат на спътниковата точност. Това е т.нар. геометричен фактор за намаляване на точността при определянето на местоположението в пространството или DOP (Dilution of Precision), термин, използван в областта на системите за глобално позициониране. Като негови съставляващи съществуват и параметри, като: HDOP (Horizontal) – занижаване на точността в хоризонтална плоскост; VDOP (Vertical) – занижаване на точността във вертикална плоскост; PDOP (Position) – занижаване на точността по местоположение – фактор, важен при работата с геодезически клас спътникови приемници; TDOP (Time) – занижаване на точността по времеви показател [53].

DOP е величина, която показва доколко точността при определянето на координатите е влошена в сравнение с точността при измерването на псевдоразстоянието. DOP може да бъде текстово представено със следните съображения: точките на разположение на четири спътника – S1, S2, S3, S4 образуват в космическото пространство фигура, при която, колкото е по-голям обемът й, толкова е по-добро взаимното разположение на спътниците и приемника, толкова е по-висока точността и стойността на DOP е по-малка. Най-голям обем тази фигура ще има в случай, че един спътник се намира в зенита, а три спътника са разположени близко до хоризонта и са равномерно разпределени по азимут [53].

Величината DOP теоретично може да има значения от 1 до 10. Идеалният случай, когато DOP e 1 едва ли е достижим при теренни работи. Счита се, че при DOP < 4 е постигната висока точност при определяне на координатите. При DOP > 6 точността не е много добра. Често се използват някои от разновидностите на DOP, тъй като от значение при спътниковите измервания са две хоризонтални координати (ширина и дължина), вертикална координата (височина) и време. За комплексна оценка на всичките четири параметъра се използва GDOP. За оценка на точността на координатите на пространствено място и обект се използва РDOP. Ако е необходимо да се характеризира точността на определяне на отделните координати се използва НDOP – за координатите ширина и дължина и VDOP за характеристика на точността на определяне на височината. TDOP служи за характеристика на точността на определяне на времето от приемника. Ако в зоната на работа с потребителската апаратура спътниците са повече от четири, приемникът, използвайки сведенията от алманаха избира такава четворка спътници, че DOP да е минимален. При използването на РDOP се наблюдава най-добрия общ показател на качеството на геометрията на спътниковото съзвездие.

За да се получат данни с възможно най-добро качество при теренна работа трябва да се приеме такова пределно значение на РDOР, при превишаването на което изчисляването на координати на местоположение се преустановява. Този предел се нарича маска на РDOP и се въвежда в приемника преди началото на теренната работа. GPS приемниците произведени от Trimble издават сигнал за тревога, когато значението на РDOP не падне под установената горна граница. Препоръчителното и поставеното по презумция значение на маската на РDOP за GPS приемниците от геодезическия клас е 7, а за картографските и ГИС приемници – 6 [53].

За кинематичните заснемания, в хода на които се извършват кратки наблюдения на точка е много важен факторът РDOP. Статичните заснемания, които изискват по-дълги периоди на наблюдение в сравнение с кинематичното заснемане, по-малко са подложени на влиянието на високото значение на РDOP, тъй като това значение често значително намалява за по-дългия времеви период на теренните работи.

Съществуват няколко подхода за класификация на методите за позициониране на обектите. При един от подходите за класификация всички случаи се подразделят на абсолютен (един способ) и относителни (диференциални). В основата на тази класификация стоят два определящи факта:

• броят на използваните приемници (в абсолютния режим на работа се използва един приемник, а при относителните – минимум два);

• в абсолютния режим се използват „необработени“ резултати от измерванията, а при диференциалните от регистрираните данни се формират разлики.

В другия случай се разграничават способи за измерване като: автономен, диференциални (режими DGPS и PDGPS) и относителни (статични и кинематични).

Определянето на местоположението с глобалните спътникови системи е прието да се нарича позициониране, като способите за наблюдение могат да бъдат групирани като: абсолютни, относителни (на стойка) и кинематични (в движение). С абсолютните способи се определят координати на точки, а при относителните – разликите в координатите и базовия вектор между две точки. При относителното позициониране основните измервания се осъществяват с фазов метод на измерване, като за целите на разрешаването на нееднозначността на фазовите цикли и приблизителните значения на координатите се използват и кодовите измервания на псевдоразстояния. Точността на способите се различава съществено – от няколко милиметра до няколко метра.

Абсолютните способи се подразделят на:

• автономни (autonomus)

• диференциални (differential, DGPS, DGLONASS)

• постобработка (postprocessing)

• реално време (RT DGPS)

Най-голяма точност осигуряват диференциалните и особено относителните способи. В тяхната основа е заложено предположението, че измерванията с два приемника до един и същи спътник са еднакво неточни и колкото тези станции са по-близко една до друга, толкова това предположение е по-точно.

Относителните (relative, baselines) способи се подразделят на:

• статика (statics)

• ускорена статика (fast, rapid statics)

• псевдостатика (pseudostatics, reoccupation)

Кинематичните (kinematics) способи се подразделят на:

• непрекъснат режим (continuous), постобработка

• „спри и върви“ (“Stop and go”), постобработка

• реално време (Real Time K. – RTK).

Често кинематичният способ се нарича динамичен (dynamic surveying). Surveying като понятие се превежда най-често като заснемане или топографско заснемане, но със задаването на тази операция се извършва работа и по създаването на геодезическа мрежа. При работа в кинематичен режим операторът може да извърши успешно измерванията на точка за една-две минути.

Автономното определяне на координати се извършва с пространствена линейна засечка, по кодовите псевдоразстояния, измерени до четири и повече спътника. Способът е автономен в смисъл, че наблюдателят определя местоположението независимо от измерванията на други приемници. Измерванията с този способ са чувствителни към всякакви отклонения и забавяне на сигнала като: нестабилност на честотата, грешка във времевата скала, спътниковите ефемериди, забавяне на сигнала в йоносферата и тропосферата,многолъчвост при приемането на сигнала и др. Точността на автономното позициониране се подобрява с продължителни (до 10-15 минути) наблюдения на точка и съвместна обработка на всички измервания, при които се отчитат измененията във псевдоразстоянията на основата на Доплеровото отместване на носещите честоти. По тези измервания се определя скоростта на изменение на псевдоразстоянията за определен интервал от време. Измерените псевдоразстояния се коригират с поправки, които се приравняват към един и същ момент от измерванията, след което всички резултати се усредняват [21]. Такъв подход е по-добър от обикновено усредняване на измерванията, тъй като при него се отчитат реалните изменения на псевдоразстоянията от приемника до спътника. Точността на двучестотните кодови приемници е значително по-висока, тъй като при измерванията се изключва влиянието на йоносферното забавяне на сигнала. Височината при абсолютното позициониране с кодови приемници се определя твърде грубо, като за решение на този проблем за определяне на височини и създаването на профил на местност в кодовите съвременни приемници се монтират специални барометрични устройства.

Диференциалният способ отчита не само стойностите но и естеството на грешките в кодовите псевдоразстояния, като много от грешките могат да бъдат отстранени или силно да се ограничи тяхното влияние върху измерванията. Измерванията се осъществяват едновременно от два приемника.

При измерванията с диференциален способ на спътниковите псевдоразстояния един приемник се поставя на точка с известни координати. Тя се обозначава с названието базова или референтна станция (base or reference station). Другата е подвижна (rover), тя се поставя на определяемата точка. Тъй като координатите на базовата станция са известни, те могат да бъдат сравнени с получените нови координати и на тази основа да се определят поправки за подвижната станция. Съществуват няколко способа за корекция, тъй като при кодовите измервания поправки могат да се въвеждат както в псевдоразстоянията, така и в координатите [21].

В първия случай на базовата станция измерванията на псевдоразстоянията се сравняват с разстоянията, изчислени по координатите и определят тяхната разлика. Тези разлики са т.нар. диференциални поправки (differential corrections), като те се предават по безжичен път до другия приемник (rover) за поправяне на несъответствията, като с диференциалните поправки мобилният приемник коригира своите измервания на псевдоразстоянията и по тях изчислява координатите. В основата на способа стои предположението, че много от неточностите, освен тези в самите приемници на потребителите, влияят еднакво на измерванията от всяка станция.

Атмосферните въздействия върху честотните линии могат леко да се различават заради причини като:

• различни дължини на трасето;

• локална нееднородност на пътя на сигнала.

Когато разстоянието е по-малко от 10 километра, отклоненията в резултатите на спътниковите сигнали до приемниците са практически еднакви. В другия случай референтната станция изчислява разликите между известните координати и определените в автономен режим и с тях се коригират координатите на подвижния приемник. В този случай трябва и двата приемника да са измервали псевдоразстоянията до едни и същи спътници.

Поправките се въвеждат или след измерванията при постобработката или се предават по допълнителен цифров радиоканал и се работи с тях в процеса на измерванията в реално време. Поправките бързо остаряват, поради което се предават и данни за скоростта на тяхното изменение.

Диференциалните корекции се използват изключително при фазови измервания. Мрежовите диференциални корекции се определят по два начина - като разлики от измерени кодови или фазови псевдоразстояния, или чрез моделиране на всички физически компоненти на източниците на грешки. Точността на диференциалното позициониране зависи от приемниците, геометричния фактор, програмните за постобработка и др.уги [48]. Чрез диференциални корекции, в рамките на обхвата на мрежата се осигурява независимост в грешката на измерване от местоположението на подвижния приемник.

Радио-техническата комисия към морската служба RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) на САЩ е създала специален комитет SC-104, който работи по въпросите, свързани със съдържанието, форматите и способите за предаване на диференциалните поправки. За предаването на диференциалните поправки се използват средновълнови (275-2000 kHz) и УКВ (390-1550 MHz и 3-300 GHz) радиоканали.

Геодезическият клас приемници имат възможност да работят с формати RTCM SC-104 поправки в псевдоразстоянията за всеки спътник. Наличието на RTCM-изход дава възможност приемникът да се използва в качеството му на базова станция за генериране и предаване по допълнителен цифров радиоканал на поправки към други приемници.

Форматът RTCM SC-104 дава възможност за транслация и на некоригирани данни за псевдоразстояния и фази на носещите вълни. Във връзка с това в широкия смисъл на понятието под диференциално позициониране се разбира способът за определяне на местоположението на приемника в реално време по предадените данни.

Съществуват стотици базови станции, разположени в различни страни на света, които предават диференциални корекции в стандартен международен формат RTCM SC-104. Тези станции са собственост на различни организации и предлагат използването на поправките свободно или срещу заплащане. Организирани са служби, които предават корекции чрез спътникова връзка. В много страни базовите станции са постоянно действащи.

Статичният метод е най-лесен от гледна точка на организация на работата по предварително съставен график и позволява да се получат възможно най-точните резултати. Названието на метода означава, че приемниците не се преместват в течение на полевите измервания в определен фиксиран времеви интервал. Базовият приемник и приемникът с неизвестни координати едновременно записват данните от наблюдаваните спътници, като продължителността на наблюденията е съобразена с необходимостта от определянето на цялочислена нееднозначност на фазата при измерванията [33].

Както и при диференциалния способ, апаратурата се разполага на две точки, например a и b, като в случая не се определят корекции, а се формират разлики от резултатите на наблюденията и се изчислява съединяващият тези станции пространствен вектор. Базовата станция трябва да има точни координати, за да може по измерените съотношения да се изчислят координатите на останалите точки. Координатите от опорната точка към новите определяеми точки се предават чрез базовата линия, дължината на която се определя от създаването от тези две точки на пространствена трилатерация с използването на едни и същи навигационни спътници.

Грешките в изходните данни ще бъдат пренебрежимо малки, ако координатите на базовия пункт са надеждно определени в геодезически мрежи от по-висок клас. Точността в статиката зависи от продължителността на измерванията. Измервания с продължителност в интервала от няколко секунди до пет минути осигуряват дециметрова точност, при наличие на повече от четири спътника над хоризонта и разстояние между приемниците по-малко от десет километра, когато се използват едночестотни геодезически приемници.

Дължината на базовата линия трябва да бъде ограничена до стойности, съответстваща на изискваната точност и метода на спътникови определения на координати и разстояния.

Статиката е метод, който е целесъобразно да се използва с двучестотни приемници, когато разстоянието между тях е по-голямо от 10 км. С увеличаването на дължината на базовата линия трябва да се увеличава и времето за наблюдение. Трябва да се отбележи, че разграниченията в названията на приемниците в режим на статика като базова или референтна станция (base or reference station) и подвижна станция (rover), разпространени в кинематичните режими, при статиката имат условен характер [54].

В относителните статични наблюдения се използват често по няколко базови станции,също така се използват три и повече приемници: два се позиционират на опорни точки, а други се позиционират върху нови точки за определяне на местоположението им. Сигналът от спътниците не трябва да се блокира от здания, корони на дървета, а металически предмети не трябва да създават многолъчевост. Участъците от небето трябва да бъдат максимално открити.

За статически измервания всеки приемник се позиционира над точката на статив, поставката се центрира по оптическия център и се измерва височината на антената. Измерванията на определените с точни координати точки и тези на определяемите нови точки протичат по едно и също време. В режим статика се използва постобработка и специален компютърен софтуер.

При съвместната обработка на наблюденията от базовата и определяемите точки систематичните грешки, имащи близки и постоянни значения, които се обработват от алгоритми, се изключват. Към тях се отнасят: грешките в ефемеридите и времевите скали от един и същи спътник, грешките от тропосферните и йоносферни влияния и др. Следователно, точността при относителните определения е по-висока отколкото при абсолютните. Този метод се използва при решаване на задачи свързани с контрола на националните геодезически мрежи, наблюденията на тектоничните движения на земната повърхност, фундаментите на стратегически и производствени съоръжения и др., като приемниците обработват данните от фазовата носеща на сигнала, а самите фазови приемници се отличават с висока точност.

Статичен режим, при който наблюдателят може да съкрати времето за наблюдение на точка до 10-15 минути „по сигнал от приемника“, че за определено време е събрано необходимото количество информация се нарича бърза статика (fast, rapid statics). Бързата статика се използва като работен режим при кратки базови линии, както и при занижени изисквания към точността – например, координатите на граници на земеделски земи, където е необходима дециметрова точност. Координатите на точките ще бъдат определени в режим статика, но с по-малка точност.

Псевдостатистическият метод или псевдостатика (pseudostatics, reoccupation) се отличава от статистическия с това, че позволява по-голяма производителност при заснеманията, като се провеждат няколко кратки сесии за събиране на необходимите данни вместо една по-продължителна. Един от приемниците непрекъснато следи спътниците от базовата точка. Подвижният приемник след няколкоминутно наблюдение на точка с неизвестни координати се изключва и се пренася до друга точка, където се включва отново и се събират данни от наблюдение в продължение на няколко минути, след което процедурата се повтаря отново на следващата точка. Всяка от точките трябва да се посети и измери отново за няколко минути един час след първите наблюдения от нея.

При този метод стремежът е да се съберат данни от спътниковите наблюдения в различна спътникова конфигурация при първото и впоследствие при второто няколкоминутно наблюдение от точката. Точността на получените данни ще бъде на нивото на статичния метод.

Методът е удобен, ако е необходимо за кратко време да се проведат измервания от голям брой планирани точки. Недостатък на метода е необходимостта от точно планиране на времето за работа на точките, поради което този режим на работа се избира рядко. Програмата за постобработка позволява съвместната обработка на данни от приемника, получени в различно време, от една и съща точка.

При наблюденията за топографски или кадастрови заснемания се предпочитат кинематични режими на работа [26]. Различават се три кинематични режима:

• непрекъснат режим (continuous), постобработка;

• „спри и върви“ (“Stop and go”), постобработка;

• реално време (Real Time K. – RTK).

И при кинематичните режими измерванията се извършват най-малко от два приемника, приемащи сигналите на не по-малко от четири „общи“ спътника. Един от приемниците работи като базова станция, другият се мести по новите определяеми точки. При този метод спътниковата информация трябва да постъпва едновременно и непрекъснато. Поради това е необходимо да се избягва срив в спътниковата връзка. При срив е необходимо операторът да се върне на една от по-рано определените точки и да повтори инициализацията с цел разрешаване на нееднозначността.

За инициализация в началото на измерванията базовият приемник се поставя на точката с известни координати, а роувърният на няколко метра от него. След кратка сесия на наблюдение от около 10 до 20 минути и двата приемника се настройват за работа в кинематичен режим и роувърният приемник се мести по определяемите точки. В края на теренните работи роувърният приемник се връща в изходния пункт, а данните се прехвърлят в компютър за постобработка. Програмата изчислява векторите на базовите линии за определяне на положението на всички точки спрямо изходната точка или няколко изходни точки с известни координати. Непрекъснатата кинематика се извършва без застояване на точките и се използва за прецизно координиране на траекторията на движещ се обект.

Класически вариант на кинематичен режим е режимът “Stop and Go”, при който движещият се приемник се мести от точка на точка за кратко време, но при това е необходимо да се извърши инициализация – продължително наблюдение за определяне на базовия вектор и разрешаване на нееднозначността. При преместването на роувърния приемник е необходимо през цялото време той да получава сигналите на не по-малко от четири спътника, които да са едни и същи по време на сесията на измерванията. За икономия на време може да се работи със способа on-the-fly (OTF), при който ако подвижният приемник работи приемайки сигналите на достатъчно голям брой спътници в течение на повече от 20-30 минути, операторът може да работи в кинематичен режим без продължителна инициализация на базовата станция, като при непрекъснатата работа за това време приемникът ще събере достатъчно информация, за да може с програмния продукт при постобработката на данните в офиса да се разреши многозначността. При срив на спътниковата връзка поради някаква причина, процесът на инициализация протича наново без да се спира придвижването.

Особен кинематичен режим е Real Time Kinematics (RTK). Основното предимство на RTK е получаването на координати непосредствено по време на заснемането или трасирането на терена, като времето за изпълнение на измерванията е в рамките на няколко секунди. Още едно преимущество на този способ е отсъствието на постобработка. Данните се трансформират в координати на точките с висока точност, без постобработка или редактиране на спътникова информация.

Съществуват два основни способа за работа в режим RTK: с използването на радиомодеми на определена радиочестота или с помощта на GSM модеми, използващи мрежова връзка. В състава на RTK системата се използват базова и подвижна станция, подобно на вече описаното при другите методи - с подвижния приемник се извършват заснемания на точки, като той с помощтта на връзката между монтираните на щоковете на двете станции радиомодеми получава спътникова информация от базата.

Традиционно, за да се правят измервания с GPS по диференциалния метод, трябва да се ползват поне два GPS приемника. Едното устройство се монтира на точка с известни координати и служи за базова точка, а чрез втория приемник се правят същинските измервания. RTK е с широк обхват на действие.

Методът WARTK (Wide Area Real Time Kinematic) е метод за диференциални корекции за сателитна навигация с разширен обхват. Разработен е в края на 90-те години от научно-изследователската група gAGE към Каталунския политехнически университет (UPC) в Барселона. Той осигурява поправки към йоносферното влияние чрез мрежа от референтни станции, отдалечени до 1000 километра една от друга. Нееднозначностите се фиксират в реално време от мобилните приемници на разстояния над 400 км от базовите станции. Така WARTK преодолява ограничения обхват на действие на класическите RTK методи. Съгласно договореност с Европейската космическа агенция, WARTK използва наземната и спътниковата инфраструктура на Европейската геостационарна служба за навигационно покритие, включително GNSS приемници. Методът е изключително подходящ за приложение в изолирани места, отдалечени на стотици километри от изходни референтни станции [16].

Технологията на режима RTK с използването на GSM мрежова връзка за предаване на диференциалните поправки пакетно през GPRS дава висока ефективност при теренни работи в реално време, с много по-голям радиус на действие, който позволява работа с базова станция в големи зони на покритие на сигнала, като може да се работи навсякъде, където съществува GSM покритие [31]. Преминава се директно към заснемане на терена, без да е необходимо да се търси базова точка в близост до измерванията [15].

Необходимите данни за базова точка се получават от базова мрежа (напр. мрежата на ГеоНет в България). Така фокусът се поставя върху същинските измервания. За инициализация на приемника в този режим на работа са необходими няколко секунди. С помощта на изградената от ГеоНет мрежа от базови станции на територията на България, има възможност да се направят GPS измервания в реално време, без необходимост от втори GPS приемник.

Услугите, които са активни към момента, са три [30]. GEO-RTK например, предлага прецизно позициониране в реално време. Услугата е предназначена най-вече за геодезически измервания, кадастрални дейности, строителство на сгради, пътища и съоръжения и др. Използва се измерване на позиции в реално време при нужда от резултати с точност от порядъка на 2 сантиметра.

Втората услуга е PPdata. Тя дава възможност за достъп на потребителите до суровите данни за последваща обработка с използването на измервания на всяка една от 30-те перманентни GNSS станции. Използва се при специфични приложения, където не може в реално време да се даде точност под 1 см при обработка и изравнение на ГММП (Геодезически мрежи с местно предназначение) и други.

Третата налична услуга се нарича DGPS (или Differential GPS). Тя може да се използва при редица картографски ГИС (Географски информационни системи) приложения, прецизна навигация, хидрография, транспорт и управление на автопаркове, позициониране на земеделски машини и определяне на обработваеми площи. Прецизността й е от порядъка на 10-50 сантиметра.

Корекционните данни се използват в реално време или като данни за последваща обработка в RINEX формат. В зависимост от преносната среда на корекциони данни (чрез GSM или Internet), трябва да се осигури достъп до мрежата съответно от SIM data карта или потребителско име и парола. Необходимо е GNSS оборудването да поддържа NTRIP протокол за данни, за пренос по интернет-мрежа. Услугите в реално време, ако няма мрежово покритие на мобилен оператор не могат да се използват, защото е необходим достъп чрез GSM или мобилен интернет, за да се свърже оборудването през Bluetooth със системата на ГеоНет.

Мрежовите диференциални GNSS решения са многообещаващ способ за прецизно определяне на местоположение в българското селско стопанство, предвид разпокъсаността и малките размери на поземлените имоти, както и теренните особености на планинските и полупланински територии, заети от обработваеми площи и малки стопанства. В България все повече потребители от геодезическия бранш, както и от секторите за картиране, ютилити и ГИС, използват наличните мрежови GNSS услуги [30].

В реално време за извършване на теренни работи са се наложили двучестотните и многочестотните приемници, но съществуват и едночестотни геодезически приемници, като например Ashtech Promark3, който, въпреки че е модел от 2006 година, първоначално на компанията Magellan Navigation, все още се ползва от професионалните геодезисти, тъй като също работи в режим RTK и се използва за теренни работи, свързани с инвентаризация в земеделието, кадастралната карта и кадастралните регистри. Подвижният приемник може да обработва информацията от диференциални поправки, като се изчисляват координатите на точката по отношение на точката на разположение на базовата станция за няколко секунди [21].

В някои модели приемници се използва режим еRTK, който дава възможност да се работи с няколко референтни станции, като при това площта, на която могат да се провеждат теренни работи нараства неколкократно в сравнение с класическия метод на работа с RTK. Технологията eRTK, е патентована от Trimble. еRTK използва усъвършенствани методи за обработка на данните и на GNSS сигнала, като се базира на безжична комуникация с подвижните приемници. Приложението на технологията е най-ефективно в комбинация с метода Виртуална референтна станция (VRS), който се разглежда като възможност за получаване на точни диференциални корекции [30].

В диференциалните режими на спътниковите измервания и определения, както и в RTK, грешката в координатите на точката зависи от грешките в диференциалните поправки, използваните приемници, режимът на обработка на данните, дължината на базовите линии и други фактори.