IMPLEMENTING METHODS OF HIGH-PRECISION POSITIONING ON INLAND WATER WAYS OF THE RUSSIAN FEDERATION
Authors:
1.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
2.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
3.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
Type:
Article
Pages:
from 28
to 35
Status:
Published
Received:
20.08.2018
Accepted:
25.08.2018
Published:
25.08.2018
Subject area:
UDK 656.62/629.783/621.396.932
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
Real Time Kinematic, Precise Point Positioning, global navigational satellite system GLONASS, inland waterways, monitoring system, control-correcting station, differential field, safety of navigation
Abstract (English):
The article discusses communication facilities for transmitting corrections and ephemeris data, analyzes methods of calculating errors of satellite position finding, and gives results of field tests for determining accuracy of the location for Real Time Kinematic and Precise Point Positioning modes. There has been carried out a survey of the existing functioning differential satellite subsystems, satellite differential correction and monitoring systems. The methods of differential coordinate correction currently used on the inland water transport provide accuracy within 1-5 meters. As in the unmanned mode the given accuracy is not sufficient, there appears the need to develop methods for calculating location finding with centimeter precision. Precise positioning relative to the axis of the ship's course will make it possible to control the vessel in the unmanned mode, as well as to use robotic facilities on water transport capable of making safe voyages on a set of waypoints tied to geographical coordinates.
The article discusses communication facilities for transmitting corrections and ephemeris data, analyzes methods of calculating errors of satellite position finding, and gives results of field tests for determining accuracy of the location for Real Time Kinematic and Precise Point Positioning modes. There has been carried out a survey of the existing functioning differential satellite subsystems, satellite differential correction and monitoring systems. The methods of differential coordinate correction currently used on the inland water transport provide accuracy within 1-5 meters. As in the unmanned mode the given accuracy is not sufficient, there appears the need to develop methods for calculating location finding with centimeter precision. Precise positioning relative to the axis of the ship's course will make it possible to control the vessel in the unmanned mode, as well as to use robotic facilities on water transport capable of making safe voyages on a set of waypoints tied to geographical coordinates.
Keywords:
Real Time Kinematic, Precise Point Positioning, global navigational satellite system GLONASS, inland waterways, monitoring system, control-correcting station, differential field, safety of navigation
Real Time Kinematic, Precise Point Positioning, global navigational satellite system GLONASS, inland waterways, monitoring system, control-correcting station, differential field, safety of navigation
Внедрение и успешное использование на внутренних водных путях (ВВП) России локальных дифференциальных дополнений (ЛДПС) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения ГЛОНАСС/GPS способствовало повышению уровня безопасности судоходства. ЛДПС строится на базе контрольно-корректирующих станций (ККС), способных формировать радионавигационное поле дифференциальных поправок (ДП) радиусом до 500 км. Расположение самой ККС предварительно определено с высокой точностью. Посредством перекрытия рабочих зон ККС создаётся сплошное радионавигационное поле ДП. Доставка ДП пользователям осуществляется с помощью радиоволны диапазона средних волн в полосе частот 283,5-325,0 кГц и ультракоротких волн через информационный канал автоматической идентификационной системы (АИС). Корректирующая информация передаётся в соответствии с международным стандартом RTCM SC-104 версия 3.0. Точность местоопределения с использованием ЛДПС составляет 1-5 м с дискретностью 1-2 с для средней скорости движения судов на ВВП РФ 15 км/ч. По результатам натурных испытаний точность навигационных местоопределений в районе Средней Свири, проблемного с точки зрения удаления от ККС более чем на 300 м, составляет 2,8-3 м [1]. Такая точность местоопределения судна позволяет не только значительно повысить уровень безопасности плавания, но и совершать переход от лоцманского способа проводки судна на инструментальный (например, использование на внутреннем водном транспорте (ВВТ) электронных навигационных карт (ЭНК) и системы отображения и информации (СОЭНКИ)). Отображение положения судна относительно оси судового хода в СОЭНКИ в режиме реального времени избавило судоводителя от постоянного визуального, радиолокационного местоопределения судна. Отображение информации АИС, сигнализация о выходе за установленную изобату глубины и о приближении к навигационной опасности, сложному участку водного пути существенно повысили уровень безопасности плавания по ВВП. Без всякого сомнения, более высокоточные способы местоопределения судна позволят расширить функционал СОЭНКИ и степень доверия к инструментальному методу проводки судов в целом. Метод высокоточного местоопределения Real Time Kinematic В настоящее время широкое применение находит метод высокоточного местоопределения Real Time Kinematic (RTK, кинематика реального времени). Суть метода заключается в применении двух и более приёмников, один из которых - базовая станция (БС), установленная в точке с точно известными координатами, а остальные - подвижные приёмники (роверы). Для работы метода необходимо, чтобы и БС, и роверы отслеживали одни и те же спутники. БС, имея исходные координаты пункта, на котором она установлена, вычисляет необходимые поправки и передаёт их на роверы с помощью протоколов мобильной передачи данных в зависимости от предоставления их мобильной сетью GPRS/HSDPA/LTE [2]. Двухдиапазонные приёмники обеспечивают работу системы в радиусе 100 км, однодиапазонные - до 20 км. Данный метод, на примере спутникового геодезического приёмника Trimble Net R5 (рис. 1), обеспечивает среднеквадратичную погрешность (СКП) определения координат для плановых измерений 10 мм + 1,0 мм/км и 20 мм + 1,0 мм/км - для определения высотной составляющей положения определяемой точки [3]. Программное обеспечение приёмника способно разрешать неоднозначные ситуации и с достаточной достоверностью > 99,9 % по заявлению производителя оборудования предоставлять результаты как оценки точности, так и решений получения координат определяемых точек. Рис. 1. Приёмник Trimble NETR5 Метод RTK используется и хорошо зарекомендовал себя в кадастровых работах, мониторинге деформации, сельском хозяйстве, дорожном строительстве. На территории России, как и в ряде других стран, созданы и развиваются сервисы по круглосуточному автоматическому предоставлению поправок RTK. Такие проекты, как SmartNet Russia, HIVE, RTKNET имеют ГЛОНАСС/GPS с выходом в интернет [4], [5], [6]. Подключившись к интернет-сервисам данных проектов, пользователь будет получать поправки местоопределения. Например, на упомянутом участке Средней Свири, где уже существует сеть базовых станций, для высокоточного местоопределения пользователю достаточно иметь только соответствующий приёмник (рис. 2) [6]. Рис. 2. Зоны действия базовых станций сервиса HIVE Точность местоопредления судна с использованием ЛДПС на базе ККС составляет 2,8-3 м, точность местоопределения судна, на боту которого использовался бы спутниковый приёмник ГЛОНАСС/GPS, поддерживающий технологию RTK, подключенный к сервису HIVE посредством мобильной связи, имело бы СКП 8-10 см (для плановых измерений) (рис. 3) [6]. Рис. 3. Сервис HIVE Существенным недостатком является то, что все системы предоставляют услуги потребителям платно. Подключение к станции LDPL системы HIVE стоит 229,0 руб. в день, без учёта затрат на интернет-услуги и мобильной связи [6]. Стоимость и время предоставления услуг в проектах RTK различны. Использование сантиметровой точности местоопределения в СОЭНКИ позволит осуществлять движение судна по ВВП в автоматическом режиме, совершать безопасные расхождения с другими судами, пересмотреть некоторые сложные участки ВВП на предмет ограничения скорости, запрета на обгон, а также позволит судоводителям совершать безопасное плавание в условиях ограниченной видимости или её отсутствия. Метод высокоточного местоопределения Precise Point Positioning Существует ещё один метод высокоточного местоопределения Precise Point Positioning (PPP, позиционирование высокой точности). Стандартным можно назвать режим высокоточного абсолютного местоопределения, в котором отсутствует разрешение целочисленной неоднозначности. Данный режим появился первым, в англоязычной литературе он обозначается как Float PPP. При использовании разрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений режим высокоточного абсолютного местоопределения принято называть Integer PPP. РРР в отличии от RTK не требует привязки к сети базовых станций. Данные поправок для метода PPP реализуются службой точного позиционирования, т. к. он требует точной эфемеридно-временной информации (ЭВИ) в режиме реального времени. Их можно получить в случае использования сети базовых станций ГНСС по всему миру. Собранная со станций информация об эфемеридах и поправках к часам навигационных спутников обрабатывается и хранится на серверах Международной службы ГНСС IGS (International GNSS Service), откуда распространяется бесплатно по сети интернет (рис. 4) [7]. Недостатком традиционной модели измерений и местоопределения является длительный период сходимости, т. е. сантиметровый уровень точности достигается через несколько часов обработки измерений. Известно, что высокая точность одномоментных относительных местоопределений, достигаемая в методе RTK, связана с фактом учёта целочисленной природы неоднозначности псевдофазовых измерений [8]. Но в традиционной модели измерений и в базирующимся на её основе методе Float PPP, который получил широкое распространение, псевдофазовые неоднозначности спутников оцениваются как действительные величины, поскольку в традиционной математической модели измерений псевдофазы присутствуют немоделируемые аппаратурные смещения, которые в процессе оценивания не удаётся отделить от целых значений неоднозначности [9, 10]. Рис. 4. Станции IGS Основным достоинством метода PPP является отсутствие ограничений на удаление приёмника потребителя от опорной станции, которые есть в методах RTK, - потребитель может находиться в удалённых и труднодоступных местах. Единственным необходимым условием является возможность доступа к высокоточной ЭВИ и ряду геофизических параметров. На рис. 5 представлены некоторые факторы, влияющие на время сходимости решения [11]. При реализации высокоточного местоопределения PPP в реальном времени, в удалённых местах, для доставки указанных необходимых внешних данных может использоваться канал спутниковой связи (например, с геостационарных спутников) или высокоточная ЭВИ [12]. Рис. 5. Точность и время сходимости РРР Точность местоопределения В России в настоящее время развёрнута система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ), на основании которой также формируется высокоточная ЭВИ. Из рис. 6 видно, что российский сервис высокоточного местоопределения ЭВИ от службы IGS обеспечивает более высокую точность определения координат, чем ЭВИ от сети СДКМ. Рис. 7 даёт возможность оценить зависимость средней трёхмерной ошибки местоопределения от времени измерений методами Float PPP и Integer PPP. Рис. 6. Зависимость средних 3D-ошибок реализованного алгоритма и российского сервиса при обработке измерений двух вариантов ЭВИ (от службы IGS и от сети СДКМ) Рис. 7. Зависимость трёхмерной ошибки местоопределения 3D-ошибка вычисляется согласно выражению где ХЕТ, ZET - эталонные высокоточные координаты станции; , - вычисленные оценки координат станции. Достоверность средних ошибок для интервалов разных длительностей отличается, т. к. усред-нение производилось по различному числу опытов. Средняя 3D-ошибка: где 3DERi - 3D-ошибка в i-ом опыте высокоточного местоопределения на интервале измерений заданной длительности; N - число опытов высокоточного местоопределения на интервале измерений заданной длительности. Применение широко распространённого метода высокоточного относительного местоопределения RTK в ряде случаев требует использования для реализации дополнительного оборудования, помимо приёмника потребителя. Платные услуги по передаче корректирующей информации с базовых станций делают способ дорогим. В труднодоступных и удалённых районах при осуществлении высокоточной привязки точек на местности (стационарные точки с известными координатами) покрытие мобильной сети может отсутствовать. При этом метод PPP возможно применять в регионах с низкой плотностью опорных станций или в труднодоступных и удалённых областях, где отсутствует возможность установки базовой станции RTK [13, 14]. Решение этих проблем в рамках использования этих методов на ВВТ может стать метод высокоточного местоопределения PPP-RTK, особенностью которого является использование потребителем атмосферных коррекций, вычисленных в пределах локальной или региональной сети, а также меньший период сходимости. Заключение Внедрение на ВВТ систем высокоточного местоопределения, обеспечивающих сантиметровую точность, позволит вывести судовождение на ВВП на новый уровень. Использование СОЭНКИ, в которой гарантирована точность нанесения места судна на ЭНК, позволит судоводителю совершать безопасное плавание в ночное время, в условиях ограниченной видимости и её отсутствие. Точное позиционирование относительно оси судового хода даст возможность управлять судном полностью в автоматическом режиме, а также использовать роботизированные объекты водного транспорта, способные совершать безопасные рейсы по набору путевых точек, привязанных к географическим координатам [15].
1. Karetnikov V. V., Sikarev A. A. Topologiya differencial'nyh poley i dal'nost' deystviya kontrol'no-korrektiruyuschih stanciy vysokotochnogo mestoopredeleniya na vnutrennih vodnyh putyah: monogr. SPb.: SPGUVK. 2008. 353 s.
2. Evstaf'ev O. V. Nazemnaya infrastruktura GNSS dlya tochnogo pozicionirovaniya. M.: Prospekt, 2009. 48 s.
3. Langley R. B. RTK GPS // GPS World. September 1998. URL: http://www2.unb.ca/gge/Resources/ gpsworld.september98.pdf (data obrascheniya: 15.03.2018).
4. HxGN SmartNet. URL: http://smartnet-ru.com (data obrascheniya: 17.03.2018).
5. Set' postoyanno deystvuyuschih bazovyh stanciy RTKNet. URL: http://rtknet.ru/ (data obrascheniya: 17.03.2018).
6. Sistema HIVE. Vse bazovye stancii cherez edinyy interfeys, bez neudobstv i pereplaty. URL: https://hive.geosystems.aero (data obrascheniya: 17.03.2018).
7. International GNSS Service (IGS). URL: http://www.igs.org/network (data obrascheniya: 20.04.2018).
8. Wübbena G., Willgalis S. State Space Approachfor Precise Real Time Positioningin GPS Reference Networks. URL: http://www.geopp.de/pdf/kis2001.pdf (data obrascheniya: 10.03.2018).
9. John Aggrey, Sunil Bisnath. Analysis of multi-GNSS PPP initialization using dual- and triple-frequency data. URL: https://www.researchgate.net/publication/325283798_Analysis_of_multi-GNSS_PPP_initialization_ using_dual-and_triple-frequency_data (data obrascheniya: 01.03.2018).
10. Wubbena G., Schmitz M., Bagge A. PPP-RTK: Precise Point Positioning Using State-Space representationin RTK networks. URL: http://www.geopp.de/pdf/ion2005_fw.pdf (data obrascheniya: 29.02.2018).
11. Metod vysokotochnogo pozicionirovaniya Precise Point Positioning. URL: https://www.youtube.com/ watch?v=hNUbis1H6j0&t=1680s (data obrascheniya: 29.02.2018).
12. Dvorkin V. V., Karutin S. N., Gluhov P. B., Podkorytov A. N. Perspektivnyy vysokotochnyy kompleks funkcional'nogo dopolneniya global'nyh navigacionnyh sistem na baze sistemy differencial'noy korrekcii i monitoringa // Uspehi sovremennoy radioelektroniki. 2013. № 1. S. 23-31.
13. Vinogradov A. V., Voytenko A. V., Zhigulin A. Yu. Ocenka tochnosti metoda Precise Point Positioning i vozmozhnosti ego primeneniya pri kadastrovyh rabotah // Geoprofi. 2010. № 2. S. 27-30.
14. Podkorytov A. N. Vysokotochnoe opredelenie koordinat potrebitelya v absolyutnom rezhime v global'nyh navigacionnyh sputnikovyh sistemah s ispol'zovaniem razresheniya celochislennoy neodnoznachnosti psevdofazovyh izmereniy. Informacionno-izmeritel'nye i upravlyayuschie sistemy // Informacionno-izmeritel'nye i upravlyayuschie sistemy. 2012. № 10. S. 45-51.
15. Karetnikov V. V., Paschenko I. V., Sokolov A. I. Perspektivy vnedreniya bezekipazhnogo sudohodstva na vnutrennih vodnyh putyah RF // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2017. № 3 (43). C. 619-627. DOI:https://doi.org/10.21821/2309-5180-2017-9-3-619-627.
