Leica GS18 T - Высокоточное RTK позиционирование с компенсацией наклона, не требующей калибровки

Аннотация

Быстрое развитие геодезических GNSS приемников и инерциальных измерительных систем (IMU) создает перспективы для повышения производительности и удобства работы пользователей с высокоточным RTK позиционированием.

Вместе с технологическими достижениями новый GNSS RTK ровер Leica GS18 T сочетает в себе GNSS и IMU модули для автоматического определения наклона вехи от отвесного положения, что служит повышению производительности, расширяет возможности применения RTK технологий и способствует уменьшению человеческого фактора. Этот основанный на IMU системе подход к компенсации наклона имеет серьезные преимущества: он не подвержен магнитным помехам, освобождает исполнителя от необходимости калибровки на месте и применим, в том числе, при больших углах наклона. Эти характерные особенности обеспечивают высокоточный RTK режим при работе в ограниченных условиях и служат повышению эффективности и гибкости. В этом документе описываются технические характеристики GS18 T и демонстрируются преимущества применения компенсации наклона, основанные на IMU системах с точки зрения производительности, точности и надежности получения решения. Благодаря модели GS18 T, компания Leica Geosystems выходит на новый уровень развития и устанавливает новые стандарты для точного GNSS позиционирования при помощи объединения и использования различных датчиков.
Введение

При RTK съемке GNSS приемник определяет местоположение не наконечника вехи, а фазового центра антенны. Чтобы оптимизировать прием GNSS сигналов, ровер обычно устанавливается на веху, а основание вехи устанавливается на измеряемую точку. При обычной RTK съемке, когда веху необходимо горизонтировать вручную с помощью круглого уровня, положение фазового центра приводится к основанию вехи с учетом смещения фазового центра антенны (PCO; Hofmann-Wellenhof et al., 2008, p. 148) и длины самой вехи. Этот подход имеет следующие недостатки, ограничивающие производительность высокоточного RTK позиционирования:

• С точки зрения производительности, горизонтирование вехи занимает время. Особенно это актуально при разбивке, где оно должно повторяться очень большое число раз;
• Что касается точности, вертикальность удержания вехи сильно зависит от человеческого фактора и инструментальных недостатков, таких, например, как неправильно отрегулированный уровень;
• Что касается применимости, условия не всегда позволяют удерживать веху вертикально над измеряемой точкой, например, при измерении углов зданий.

Поэтому было бы желательно провести точные RTK измерения искомой точки без необходимости горизонтирования вехи.
Уникальные преимущества

С целью повышения производительности и удобства использования высокоточного RTK позиционирования, Leica GS18 T предлагает следующие уникальные преимущества:

• Не требует калибровки на месте проведения работ
• Устойчив к магнитным возмущениям
• Применим при больших углах наклона
• 3D-визуализация курса движения при измерениях

Рисунок 1 - GNSS RTK ровер Leica GS18 T с полевым контроллером Leica CS20.

Быстрое развитие GNSS, инерциальных и мультисенсорных интегрированных навигационных систем (Jekeli, 2001; Titterton and Weston, 2004; Groves, 2013) предлагает прекрасные возможности компенсации наклона RTK измерений, которые автоматически уравнивают наклон вехи от отвесного положения. Исходя из того, что длина вехи известна, погрешность положения из-за наклона можно компенсировать, если точно определить местоположение (или угловую ориентацию) вехи. В то время как измерение угла наклона вехи может быть достигнуто достаточно точно, например, с помощью акселерометра, измерение её ориентации относительно истинного севера является гораздо более сложной задачей. (Hong et al., 2005).



В обычных GNSS RTK роверах с компенсацией наклона используется электронный компас, который опирается на измерения магнитометра и обеспечивает ориентирование вехи относительно магнитного севера (Nichols and Talbot, 1996; Kurtovic and Pagan, 2009). Такой подход, основанный на магнитометре, имеет следующие недостатки:

• Необходимость регулярной калибровки на месте проведения работ, которая отнимает много времени и снижает производительность работы.
• Необходимость наличия высокоточной и вычислительно- высокозатратной магнитной модели Земли для данного участка. В противном случае заданный угол склонения (угол между истинным и магнитным севером) может достигать ошибки до трех градусов даже без наличия каких-либо локальных возмущающих магнитных полей (Dusha, 2017).
• На магнитометр влияют магнитные возмущения, вызываемые черными металлами (например, используемыми в автомобилях, зданиях и сооружениях с применением конструкционной стали) и электрическими токами (например, линиями электропередач, энергоустановками), которые как правило присутствуют в условиях RTK съемки.
• Магнитное поле, измеренное магнитометром, значительно изменяется в зависимости от угла наклона (Pedley, 2012), часто ограничивая диапазон компенсации до 15 градусов.

Чтобы избежать вышеупомянутых недостатков, Leica GS18 T с компенсацией наклона использует точные IMU измерения, получаемые от микроэлектромеханических датчиков (MEMS) промышленного уровня производства, которые особенно подходят для геодезического применения. Благодаря технологиям, которые успешно применялись в авиационной и морской навигации в течение многих лет (Crassidis and Markley, 2003), настраиваемая инерциальная навигационная система (INS) может быть широко интегрирована с GNSS системами, обеспечивая самую быструю и простую в использовании технологию GNSS RTK.
Производительность и опыт использования

GS18 T был разработан для повышения производительности и удобства использования высокоточного RTK позиционирования. На рис. 2 показаны ключевые компоненты, которые позволяют GS18 T быть самым быстрым в мире GNSS RTK ровером. Благодаря компенсации наклона, нет необходимости горизонтировать веху, что повысит производительность в среднем на 20% по сравнению с обычной практикой геодезической RTK съемки. Кроме того, GS18 T использует MEMS IMU для высокочастотного измерения ускорений и угловых скоростей, что позволяет определить положение вехи в реальном времени. Поскольку на IMU измерения не влияют магнитные поля, GS18 T невосприимчив к магнитным помехам и не требует длительных калибровок на месте проведения работ. Он готов к работе сразу «из коробки» и работает быстрее, чем системы, основанные на магнитометрах. Кроме того, основанная на IMU методика компенсации наклона в сочетании с мгновенными RTK измерениями обеспечивает высокую производительность, особенно при топографических съемках, и точность аналогичную измерениям, проводимым с горизонтированием вехи вручную.

Рисунок 2 - Leica GS18 T - самый быстрый GNSS RTK ровер с компенсацией наклона на основе IMU.
С точки зрения пользователя, GS18 T фокусируется на расширении применимости высокоточных RTK измерений и повышении удобства при полевых изысканиях. Применяя компенсацию наклона основанную на IMU, объекты, которые ранее были недоступны с помощью традиционных GNSS измерений, такие как углы зданий и места с препятствиями для приема спутникового сигнала (рис. 3), теперь можно измерять напрямую с помощью RTK измерений даже при углах наклона, превышающих 30 градусов.

Без необходимости горизонтирования вехи, которое требует высокого уровня концентрации, исполнитель сможет уделять больше внимания событиям, связанным с безопасностью вокруг, таких как проезжающие мимо транспортные средства и работающие рядом строительные машины.



Кроме того, информация об ориентировании используется, чтобы помочь определить местоположение на объекте путем автоматического обновления трехмерной визуализации окружения в зависимости от направления антенны.

Это особенно удобно при выполнении разбивки точек. Информация об ориентировании при проведенных измерениях с компенсацией наклона, является полностью отслеживаемой, что позволяет обеспечить высокое качество работы самих пользователей и их клиентов.

Улучшение производительности и удобства использования, достигнутые с GS18 T, основаны на множестве инноваций, в частности, на технологиях отслеживания GNSS сигналов и комбинации разнородных датчиков.

Рисунок 3 - Использование Leica GS18 T для измерения углов здания и на местах с частично закрытым небосводом, которые ранее не могли быть измерены при обычной RTK съемке с вертикальной вехой.
Высокопроизводительное отслеживание GNSS сигналов

Трудности внедрения компенсации наклона при RTK измерениях

При высокоточном RTK позиционировании с компенсацией наклона огромное значение имеет надежное и высокочувствительное отслеживание GNSS сигналов, проводимое на всех доступных частотах, особенно при больших углах наклона. Как показано на рис. 4, если веха отклонена от проекции на спутник на t градусов, то угол возвышения входящего GNSS сигнала относительно горизонта антенны также уменьшится на t, с α (вертикальная веха) до β (наклонная веха).



Для данного угла возвышения α, чем больше угол наклона t, тем меньше угол β. Это указывает на то, что GNSS сигнал, полученный под большим углом возвышения при традиционной RTK съемке с вертикальной вехой, может стать сигналом низкого угла в случае компенсации наклона в зависимости от угла и направления наклона. Кроме того, при выполнении RTK измерений на углах зданий или вблизи заборов, прием зашумленных сигналов будет увеличен из-за многолучёвости распространения сигнала и сопутствующих помех. Чтобы справиться с этими трудностями, GS18 T оснащен передовыми технологиями отслеживания сигналов, обеспечивающими максимальное количество наблюдений для RTK решений с компенсацией наклона.

Рисунок 4 - Уменьшение угла возвышения входящего GNSS сигнала при наклоне вехи от проекции на спутник (α: угол возвышения спутника для вертикальной вехи, β: угол возвышения спутника для наклонной вехи, t: угол наклона вехи).

Передовые технологии отслеживания сигналов

Принимающий элемент антенны и программное измерительное ядро (ME) GNSS RTK ровера играют ключевую роль в отслеживании корректирующих GNSS сигналов и сигналов L-диапазона. Антенна приемника GS18 T представляет собой высокоэффективную микрополосковую патч-антенну, которая сохраняет плоскую низкопрофильную структуру при небольших размерах. Любые плоские антенны будут неизбежно возбуждать поверхностные волны, которые распространяются вдоль границы раздела между воздухом и металлической поверхностью принимающего элемента антенны. Эти волны дифрагируют на краю принимающего элемента антенны, вызывая излучение во всех направлениях. Для GNSS измерений такие нежелательные излучения увеличат прием зашумленных сигналов из-за многолучёвости распространения сигнала и сопутствующих помех.

Компания Yang and Freestone (2017) разработала технологию загрузки паразитных круговых решеток для оптимизации диаграммы направленности антенны путем подавления распространения поверхностных волн. Концепция этой технологии представлена на рис. 5. Как можно видеть, периферические спиралевидные монополи с реактивной/ резистивной нагрузкой расположены вокруг основного антенного элемента для манипулирования возбужденными поверхностными волнами. После взаимодействия с паразитными монополями поверхностные волны превращаются в рассеянные волны и переизлучаются в свободное пространство. Таким образом, диаграмма направленности антенны изменится, чтобы улучшить возможности отслеживания сигналов при низком угле наклона антенны. Способность отслеживать спутники с низким углом возвышения над горизонтом при сохранении высокого коэффициента усиления для спутников с более высоким углом особенно важна для применения RTK измерений в сложных условиях, таких как городские ландшафты и плотная растительность.

Рисунок 5 - Конструкция антенны со спиральными периферическими паразитными решётками кругового массива (Yang and Freestone, 2016).
Кроме того, улучшенные характеристики слежения при низком угле возвышения также полезны для приема корректирующих сигналов в L-диапазоне от геостационарных спутников в высоких широтах (Yang and Freestone, 2016).

В дополнение к технологии загрузки паразитных круговых решеток, запатентованная технология сверхширокополосных антенн (Yang and Gilbertson, 2016) была использована для достижения превосходной круговой поляризации и симметричных диаграмм направленности антенны по всей полосе пропускания GNSS сигналов. Если взять в качестве примера частоту L1, то значения PCO на севере и востоке, полученные при калибровке абсолютного поля Geo ++ (Schmitz et al., 2002) антенны GS18 T, составляют -1 мм и -0,3 мм соответственно, демонстрируя стабильность фазового центра в субмиллиметровом диапазоне. Кроме того, использование нескольких точек входа, где GNSS сигналы поступают в антенну, приводит к равномерной диаграмме направленности и низкой кросс-поляризации (Caizzone et al., 2018). Согласно теории принимающих антенн, кросс- поляризация является одной из основных причин сильного многолучевого шума и низкой эффективности излучения.

Помимо высокопроизводительной микрополосковой патч-антенны, приемник GS18 T включает в себя измерительное программное ядро последнего поколения ME7. Он имеет 555-канальную архитектуру и способен отслеживать все существующие и будущие спутниковые сигналы на нескольких частотах, включая GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou, QZSS и NavIC. На момент написания этой статьи созвездие Galileo состояло из 18 действующих спутников, которые уже используют мульти-GNSS RTK-позиционирование, как было продемонстрировано в издании Luo et al. (2017). В общей сложности 19 спутников BeiDou-3 (18 MEO и один GEO) были запущены в конце 2018 года, в результате чего созвездие достигло полноценных первоначальных эксплуатационных возможностей. Система QZSS достигла четырехспутниковой конфигурации, которая обеспечивает непрерывную видимость трех спутников в зоне обслуживания (Steigenberger et al., 2018). В случае компенсации наклона использование этих новых систем в дополнение к GPS и ГЛОНАСС поможет поддержать высокоточное RTK решение при приближении к таким объектам, как углы зданий и стены домов. Помимо сигналов навигационных спутников ME7 отслеживает многоканальные корректирующие сигналы L-диапазона от спутников TerraStar, обеспечивая позиционирование на сантиметровом уровне в реальном времени по подписке SmartLink. Leica SmartLink использует метод точного позиционирования (PPP) для получения высокоточного GNSS решения без RTK данных. Благодаря более быстрому обнаружению сигналов, более высокой чувствительности их отслеживания и лучшему подавлению многолучевости, ME7 обеспечивает превосходные характеристики отслеживания сигналов для компенсации наклона при RTK измерениях.

Преимущества увеличения числа отслеживаемых сигналов

Чтобы продемонстрировать преимущества усовершенствованного отслеживания сигнала под открытым небом, результаты измерений GS18 T сравнивались с другой коммерческой GNSS антенной аналогичного класса, обозначенной как Rover A. Анализировались данные с частотой 1 Гц за 24 часа. На рис. 6 показано среднее значение отношения сигнал/шум (ОСШ; Luo, 2013, Sect. 5.1) для GPS сигналов с отсечкой угла возвышения в 5 градусов. По сравнению с Rover A GS18 T продемонстрировал более высокие уровни ОСШ на всем диапазоне возвышений, где более заметны улучшения для более низких частотных диапазонов - L2 и L5 (Рис.6b, c). В среднем медианное ОСШ может быть увеличено на 2 дБГц (децибел/герц), 4 дБГц и 8 дБГц для сигналов GPS L1, L2 и L5, соответственно. В нормальных условиях, чем больше ОСШ, тем лучше качество сигнала и меньше паразитные шумы наблюдений.



GS18 T особенно подходит для RTK съемки в условиях, где небосвод частично недоступен, например, при работе вблизи границ растительности или в городском ландшафте. Чтобы показать преимущества усовершенствованного отслеживания сигнала в сложных условиях, на рис. 7 сравнивается число циклов проскальзывания между GS18 T и Rover A в условиях относительно густой растительности. В такой среде сигналы GNSS блокируются, ослабляются и переотражаются, что приводит к большому количеству скачков циклов. Как видно за четырехчасовой период, GS18 T производит значительно меньше циклов проскальзывания, чем Rover A, особенно для углов места 75° -80° (на 50%), 55° -60° (на 64% ) и 30° -35° (на 43%).

Это демонстрирует преимущества GS18 T в надежном и высокочувствительном слежении за сигналами в широком диапазоне углов возвышения, обеспечивая максимальное количество непрерывных GNSS наблюдений для лучшего позиционирования.

Рисунок 6 - Сравнение отношения сигнал/шум (ОСШ) GPS измерений между GS18 T и Rover A под открытым небосводом (данные за 24 часа с частотой 1 Гц, отсечение по углу возвышения: 0 градусов).

Рисунок 7 - Сравнение количества циклов проскальзывания между GS18 T и Rover A в условиях относительно густой растительно- сти (данные за 4 часа с частотой 1 Гц, отсечка по углу возвышения: 10 градусов).
Компенсация наклона RTK измерений на основе инерциального модуля

Интерпретация измерений наклона вехи
Исходя из того, что длина вехи известна, ошибка положения из-за её наклона может быть компенсирована путем точного определения значения этого наклона (Luo et al., 2018). На рис. 8 показана интерпретация положения вехи с GS18 T, состоящая из наклона, направления наклона и направления движения датчика. Наклон t — это угол между местным зенитом и положением вехи. Направление наклона λ описывает угловую ориентацию ортогональной проекции вехи на горизонтальную плоскость относительно истинного севера. Направление γ указывает куда направлен датчик. Также отображается истинный север. Обратите внимание, что если веха расположена вертикально, то направленность γ по- прежнему определена достаточно точно и направление наклона λ не задано, поскольку ортогональная проекция вехи на горизонтальную плоскость будет в этом случае одиночной точкой. Помимо самих компонентов ориентирования, полевое программное обеспечение Leica Captivate также вычисляет соответствующие оценки качества измерений наряду с общей неопределенностью направления 3D-ориентации.

Рисунок 8 - Интерпретация положения вехи Leica GS18 T с использованием наклона t, направления наклона λ и направленности датчика γ.
Интеграция GNSS/INS
Преимущество использования совместимых данных из двух навигационных источников, интегрированных в навигационные системы GNSS/INS, которые давно используются в аэрокосмической промышленности, теперь доступно для геодезического оборудования (Scherzinger, 2009; Душа, 2017). На рис. 9 схематически показана интеграция GNSS/INS в Leica GS18 T. Инерциальный блок MEMS использует трехосный акселерометр и гироскоп.
Каждый инерциальный блок индивидуально откалиброван на заводе компании Leica Geosystems по всему диапазону рабочих температур. Инерциальный блок вычисляет точно измеренные ускорения и угловые скорости для INS. Также GNSS приемник определяет точное местоположение и скорость. Алгоритм INS математически вращает и объединяет измерения инерциального блока для определения положения вехи и соответствующей оценки качества измерений. Кроме того, объединение датчиков GNSS и инерциального блока позволяет в реальном времени оценивать смещения акселерометра и гироскопа, чтобы минимизировать зависящий от времени дрейф в ориентировании полученного решения. На основе измеренного GNSS местоположения, местоположения INS и длины вехи полевое программное обеспечение Leica Captivate вычисляет положение основания вехи с компенсацией наклона и качеством координат (CQ), включая неопределенности GNSS и INS. Кроме того, информация о направлении используется для автоматического обновления трехмерной визуализации окружения, чтобы помочь пользователю ориентироваться при выполнении съемки на местности.
GS18 T является самоинициализирующимся и не требует какой-либо процедуры калибровки в полевых условиях. Внутренние механизмы контроля качества позволяют автоматически запускать/останавливать компенсацию наклона, если расчетная 3D-погрешность ориентирования (см. «Общее качество наклона» на рис. 8) ниже/выше 2 градусов. В нормальных условиях, с достаточным движением прибора, неопределенность ориентирования в 2 градуса может быть первоначально достигнута в течение нескольких секунд. Перемещение прибора при этом должно составить около метра. Постоянно проводится проверка согласованности измерений между GNSS и INS, чтобы создать надежную комбинированную вычислительную систему способную справиться с экстремальной динамикой перемещения вехи, например, такой, как сильные удары по ней. Поскольку измерения магнитометра не задействованы при расчете местоположения с компенсацией наклона, GS18 T не подвержен магнитным помехам.

Рисунок 9 - Схематичная и упрощенная иллюстрация интеграции GNSS/INS, реализованная в Leica GS18 T.
Некоторые аспекты полученной точности

Рисунок 10 - Трехмерная среднеквадратическая ошибка (СКО) положения основания вехи из-за ошибки ориентирования INS при использовании в качестве эталона лазерной системы измерения (длина вехи: 1,800 м, диапазон наклона: 2 градуса).
Приняв веху за абсолютно твердое тело (абстрагируясь от гибкости вехи), ошибка в положении основания вехи с компенсацией наклона в основном объясняется ошибкой определения GNSS местоположения и ошибкой ориентирования INS. Используя лазерную измерительную систему в качестве эталона, можно проанализировать вклад отдельных источников ошибок GS18 T в общую ошибку измеренного местоположения основания вехи. На основе соответствующих наборов данных, включающих в себя различные варианты динамики движения вехи, такие как статическое положение, кинематика и Stop and Go, на рисунке 10 показана трехмерная среднеквадратическая ошибка (СКО) положения основания вехи, которая вызвана исключительно ошибкой ориентирования INS над высотой вехи 1,800 м. Диапазон 2 градуса используется для наклона вехи, где вертикальные полосы показывают дисперсию трехмерных выборок для ошибок в вычисленном наклоне. При использовании линейной модели регрессии, среднеквадратическая ошибка местоположения из-за ошибки ориентирования увеличивается с 8 мм до 2 см, а наклон с 1 до 30 градусов.
Пренебрегая корреляциями между ошибкой GNSS местоположения и ошибкой ориентирования INS, связь между ошибкой положения основания вехи и отдельными компонентами ошибки GNSS/INS измерений может быть выражена в соответствии с законом распространения ошибки как

где σPT означает ошибку положения основания вехи, σGNSS является ошибкой определения GNSS местоположения, а σINS относится к ошибке местоположения, вызванной ошибкой ориентирования INS за длину вехи. По мере увеличения угла наклона σGNSS ошибка становится больше из-за ухудшения отслеживания сигнала (рис. 4). Кроме того, σINS растет, как показано на рис. 10. Поэтому ошибка положения основания вехи, σPT, увеличивается с увеличением наклона.
В таблице 1 приведены компоненты ошибок для GNSS и INS измерений GS18 T из двух независимых тестов по точности. Видно, что наклон точно определяется со среднеквадратической ошибкой 0,2 градуса.
Общая трехмерная ошибка ориентирования составляет менее 1,5 градусов, а ее вклад в ошибку определения местоположения основания вехи σINS составляет менее 2 см на длину вехи в 1,800 м. Кроме того, ошибка положения основания вехи рассчитывается по формуле (1) и в высокой степени согласуется с эталонным значением на миллиметровом уровне, подтверждая незначительные корреляции между компонентами ошибок для GNSS и INS измерений. Обратите внимание, что текущий алгоритм компенсации наклона GS18 T не учитывает эффекты изгиба вехи, которые ухудшают точность позиционирования с увеличением длины вехи. Поэтому, для достижения заданной точности рекомендуется использовать стабильную 2-метровую веху из углепластика.

Таблица 1 - Ошибки ориентирования и определения местоположения оборудованием Leica GS18 T при использовании в качестве эталона систему пунктов с лазерными дальномерными измерениями (длина вехи: 1,800 м, см. Рис. 10).

Анализ производительности оборудования СТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ, В СРАВНЕНИИ С МГНОВЕННЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ

При статических RTK измерениях точка обычно наблюдается в течение короткого периода, например, 5 секунд, где измеряется несколько эпох, чтобы получить средневзвешенное решение. При обычной RTK съемке, где веха должна быть отгоризонтирована, этот подход имеет преимущество, заключающееся в уменьшении человеческого фактора в формировании ошибки, возникающей при центрировании с выставлением по уровню. В случае компенсации наклона горизонтирование вехи не требуется и таким образом, указанное выше преимущество больше не может быть использовано.

Кроме того, статические измерения в течение такого короткого времени не выигрывают от декорреляции геометрии спутникого созвездия, компенсации атмосферных условий и эффектов многолучёвости распространения сигналов. Согласно данным издания Hofmann-Wellenhof et al. (2008, стр. 158), высота антенны в 2 м - приводит к приблизительному периоду в 16 минут для ошибки многолучёвости распространения сигналов. Чтобы проводить RTK измерения как можно быстрее, особенно при топографических съемках, более подходящим является мгновенный метод измерений, где координата метки времени измерения интерполируется между местоположениями соседних двух эпох, чтобы отфильтровать эффекты малых движений вехи.

В таблице 2 сравниваются среднеквадратические ошибки статических и мгновенных измерений с компенсацией наклона известной точки с использованием GS18 T под открытым небом. Были рассмотрены различные периоды захвата спутникового сигнала, такие как 5 с, 15 с и 30с, которые обычно используются для GNSS RTK съемок. Во всех трех испытаниях среднеквадратические ошибки статических и мгновенных измерений сопоставимы.
Дополнительное время, затрачиваемое на статические измерения, не приводит к повышению точности позиционирования, что в свою очередь указывает на более высокую производительность мгновенного метода. Взяв тест 3 в таблице 2 в качестве примера, на рис. 11 сравниваются 2D ошибки горизонтального положения, показывающие аналогичные показатели точности между 30-секундными статическими и мгновенными измерениями.

Таблица 2 - Сравнение среднеквадратической ошибки [м] для статических и мгновенных измерений с компенсацией наклона при использовании Leica GS18 T (длина вехи: 1800 м, открытый небосвод, 100 измерений для каждого испытания).

Рисунок 11 - Сравнение двухмерных ошибок местоположения из 30-секундных статических и мгновенных измерений с компенсаци- ей наклона при использовании Leica GS18 T (длина вехи: 1,800 м, открытый небосвод; см. тест 3 в таблице 2).
ОБЫЧНЫЕ RTK ИЗМЕРЕНИЯ В СРАВНЕНИИ С RTK ИЗМЕРЕНИЯМИ С КОМПЕНСАЦИЕЙ НАКЛОНА
Чтобы продемонстрировать преимущество использования метода с компенсацией наклона, GS18 T был сравнен с Rover A в условиях открытого небосвода и в условиях сильного многолучевого распространения сигналов. В тесте с открытым небосводом (рис. 12) две известные точки P1 и P2, которые разнесены на 8 м, были измерены попеременно в мгновенном режиме измерений в течение 10 минут. При использовании Rover A веху необходимо было точно отгоризонтировать при выполнении мгновенных измерений, что не требовалось для GS18 T из-за компенсации наклона. Количество измеренных точек в течение 10 минут представляет собой простой показатель производительности. В таблице 3 обобщены результаты испытаний с открытым небосводом с точки зрения производительности и точности. Благодаря отсутствию необходимости горизонтирования вехи, GS18 T значительно сократил время, затрачиваемое на измерения и, таким образом, увеличил количество измеренных точек на 33%, с 57 до 76 штук в течение 10-минутного периода. В случае с компенсацией наклона, несмотря на дополнительную ошибку определения ориентирования, среднеквадратическая 3D ошибка всего на 3 мм больше по сравнению с Rover A и составляет 2,4 см, что вполне приемлемо для большинства топографических съемок.

Рисунок 12 - Тест производительности RTK измерений под открытым небосводом путем измерения двух точек поочередно в мгновенном режиме в течение 10 минут (Rover A в сравнении с GS18 T, длина вехи: 1,800 м).
В тесте с условиями сильного многолучевого распространения сигналов (рис. 13а) была выбрана известная точка, которая расположена очень близко к зданию, но все еще может быть измерена с помощью ровера А, при удержании вехи вертикально. Кроме того, было выбрано здание с металлическими фасадами, чтобы продемонстрировать устойчивость GS18 T к магнитным помехам. Всего было выполнено 200 мгновенных измерений при различных геометриях спутникового созвездия. В таблице 4 приведены результаты, касающиеся доступности, точности и надежности полученного решения. При использовании GS18 T с компенсацией наклона доступность фиксированного RTK решения увеличилась на 15% по сравнению с обычным RTK режимом при использовании Rover A, а точность позиционирования значительно повысилась, в среднем на 50%. Надежность показывает процентную долю того, что ошибка позиционирования менее чем в три раза превышает CQ. Значение надежности увеличивается на 6% для горизонтальных компонентов ошибки. Эти усовершенствования GS18 Т относятся к: надежности получения GNSS сигналов с высокой чувствительностью отслеживания в сложных окружающих условиях, возможности измерения на большем расстоянии от антенны до здания наклоненной вехой (рис. 13, б) с меньшим эффектом многолучёвости и эффективной интеграции GNSS/ INS измерений, обеспечивающих точную компенсацию наклона.
Обратите внимание, что такие сильные многолучевые возмущения рассматриваются как крайний случай и далеко выходят за рамки стандартных условий, относящихся к техническим требованиям точности и надежности решения. Кроме этого, точки расположенные ближе 10 см от здания, вообще не могут быть измерены с помощью ровера А, поскольку в этом случае невозможно отгоризонтировать веху над измеряемой точкой.

Рисунок 13 - Проверка RTK позиционирования в условиях сильной многолучёвости (длина вехи: 1,800 м) (a) Обозначение измеряемой точки возле здания с металлическими фасадами, (b) Компенсация наклона RTK измерений Leica GS18 T.

Таблица 3 - Сравнение количества измеренных точек в течение 10-минутного периода и полученных среднеквадратических ошибок для GS18 T и Rover A (открытый небосвод, длина вехи: 1,800 м, мгновенные измерения).

Таблица 4 - Сравнение доступности, точности и надежности фиксированного RTK решения для GS18 T и Rover A, в условиях сильной многолучёвости среды (длина вехи: 1,800 м, мгновенные измерения).

Рисунок 14 - Сравнение распределения ошибок GS18 T и Rover A в условиях сильного многолучевого распространения сигналов (длина вехи: 1,800 м, мгновенные измерения) (а) 2D ошибка CDF, (б) 1D ошибка CDF.
На рис. 14 показаны эмпирические кумулятивные функции распределения (CDF) 2D и 1D ошибок фиксированного RTK решения с точки зрения точности. По сравнению с обычными RTK измерениями Rover A, вероятность того, что 2D (1D) ошибка находится в пределах 5 см, увеличивается на 23% (27%) при использовании RTK режима с компенсацией наклона GS18 T. Кроме того, улучшения точности измерения высоты кажутся более значительными по сравнению с горизонтальными компонентами ошибок.

МЕТОД НА ОСНОВЕ МАГНИТОМЕТРА В СРАВНЕНИИ С МЕТОДОМ НА ОСНОВЕ ИНЕРЦИАЛЬНОГО БЛОКА

Помимо отсутствия необходимости калибровки на месте проведения работ, одним из основных преимуществ компенсации наклона на основе инерциального блока, по сравнению с методом на основе магнитометра, является устойчивость к помехам магнитного поля. Местные магнитные возмущения могут быть вызваны автомобилями, линиями электропередач и зданиями из конструкционной стали, которые часто присутствуют в условиях RTK съемки. Чтобы показать устойчивость GS18 T к магнитным помехам, были проведены 1-секундные статические измерения известной точки на парковке. При съемке была также использована другая GNSS антенна аналогичного класса, обозначенная как Rover B, которая обеспечивала компенсацию наклона на основе магнитометра при угле наклона до 15 градусов.
Рис. 15 иллюстрирует 2D ошибки и CQ 100 статических RTK измерений для GS18 T и Rover B. Сравнивая 2D ошибки на рис. 15a видно, что GS18 T обеспечивает более высокую точность и согласованность результатов измерений, чем Rover B. Более того, 2D ошибки CQ, согласованные с самими 2D-ошибками, реалистично отражают точность позиционирования. Что касается результатов для Rover B, на рис. 15 значения 2D ошибок CQ значительно больше, чем сами 2D ошибки, если были обнаружены магнитные возмущения, что указывает на ненадежность таких решений с компенсацией наклона. В этом случае пользователю необходимо было бы повторить измерения или перейти на обычный RTK режим, что снизило бы производительность выполнения работ. При определенных обстоятельствах, например, при измерении точек с большими углами наклона вехи, пользователь не будет уведомлен системой на основе магнитометра, что отображаемая точность не может быть достигнута. Если посмотреть на среднеквадратические ошибки, приведенные в Таблице 5, то видно, что 2D точность измерений GS18 T примерно на 2 см выше, чем у Rover B, тогда как точность 1D находится на аналогичном уровне.

Рисунок 15 - Сравнение 2D ошибок местоположения и CQ для GS18 T и Rover B при магнитных помехах (автостоянка, длина вехи: 1,800 м, 1-е статическое измерение).

Таблица 5 - Сравнение среднеквадратических ошибок для GS18 T и Rover B при магнитных помехах (автостоянка, длина вехи: 1,800 м, 1-е статическое измерение).
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ БОЛЬШИХ УГЛАХ НАКЛОНА
Благодаря применению компенсации наклона на основе инерциального блока GS18 T, максимальный угол наклона не ограничивается до тех пор, пока отслеживается достаточное количество GNSS спутников для получения высокоточного RTK решения. Поэтому GS18 T может применяться для измерений скрытых точек, например, углов зданий или точек, частично заблокированных припаркованными автомобилями. На рис. 16а показан пример, когда измеряемая точка заблокирована автомобилем, и веха должна быть сильно наклонена, чтобы можно было измерить точку. На рис. 16 показаны 3D ошибки и CQ для 100 мгновенных измерений, а также углы наклона в диапазоне от 36 до 56 градусов. Среднеквадратическая 3D ошибка составляет 1,6 см и для 87 процентов измерений 3D ошибка ниже 3D CQ, что подразумевает высокую надежность, даже когда веха сильно наклонена. Среднеквадратические 2D и 1D ошибки составляют 1,3 см и 9 мм соответственно. Высокая производительность GS18 T в случае его использования с большим углом наклона вехи обусловлена:

1. лучшими возможностями отслеживания сигналов с низким углом возвышения,
2. использованием точных инерциальных измерений вместо магнитометра и
3. надежными механизмами контроля качества при интеграции GNSS/INS измерений.

Рисунок 16 - 3D ошибки определения местоположения и CQ мгновенных измерений с большими углами наклона от 36 до 56 градусов (Leica GS18 T, длина вехи: 1800 м, открытый небосвод).
3D-визуализация с указанием направленности прибора

Помимо наклона и направления наклона, оценки ориентирования, INS также включает в себя направленность антенны (рис. 8). Эта информация используется для помощи исполнителю при полевых наблюдениях путем автоматического обновления трехмерной визуализации окружения в зависимости от ориентации датчика. Если в качестве примера взять RTK разбивку, то в случае изменения направления антенны вид экрана разбивки и инструкции движения на точку в полевом программном обеспечении Leica Captivate будут обновлены соответственно. Рис. 17 иллюстрирует, как информация о направлении помогает при разбивке точек при использовании навигационного экрана для GS18 T. Если точка разбивки находится на расстоянии более 0,5 м, то вид экрана покажет окружение в направлении движения и будет следовать за датчиком сверху и сзади (рис. 17а). Инструкции 3D-вида и разбивки обновляются автоматически в соответствии с текущим местоположением и направлением антенны, которое в этом примере изменяется с запада через юг на восток (рис. 17b-d). Включив направление антенны в 3D-визуализацию, пользователь сможет легко ориентироваться при съемке и быстро перемещаться на заданную точку, снизив свою усталость и повысив производительность.

Рисунок 17 - Пример 3D визуализации с помощью направления антенны при наложении точек с помощью Leica GS18 T (открытый небосвод, длина вехи: 1.800 м) (a) Навигационный вид, (b) Вид на запад, (c) Вид на юг, (d) Вид на восток.
Отслеживаемость выполненных измерений с компенсацией наклона

При использовании GS18 T для RTK измерения с компенсацией наклона положение вехи и связанная с этим неопределенность сохраняются при записи точек, что обеспечит возможность полного документирования процесса измерений. Набор необходимой информации об ориентировании может быть экспортирован непосредственно в Leica Captivate, например с помощью стилей съемки. При импортировании полевых данных GS18 T в офисное программное обеспечение Leica Infinity 2.4 (Hanson, 2017, стр. 5) точки, измеренные с компенсацией наклона, укажут компоненты ориентирования, включая наклон, макс. наклон, направление наклона и направление антенны (рис.18). Для статических измерений «наклон» — это последний измеренный наклон перед сохранением точки, тогда как «макс. наклон »- это максимальный наклон, достигнутый во время стояния на точке. Для мгновенных измерений значение наклона и макс. значение наклона идентичны. В программной среде Leica Infinity можно отредактировать длину вехи в случае неверного ввода при полевых измерениях, где последнее измеренное местоположение используется для пересчета положения основания вехи. Таким образом, правильные координаты всё еще можно будет получить, при этом полная прослеживаемость компонентов будет способствовать качеству RTK решения с компенсацией наклона.

Рисунок 18 - Представление данных ориентирования Leica GS18 T в офисном программном обеспечении Leica Infinity версии 2.4 с возможностью редактирования длины вехи.
Выводы о проведенном тестировании

В этом документе представлена новая антенна Leica GS18 T, в которой используется метод компенсации наклона, основанный на инерциальном блоке, для повышения производительности и удобства высокоточного RTK позиционирования. По сравнению с системами компенсации наклона, основанными на магнитометре, GS18 T обладает следующими преимуществами: он свободен от калибровки на месте проведения работ, невосприимчив к магнитным помехам и применим при больших углах наклона вехи. Представленные результаты испытаний и сравнительные исследования показали, что использование компенсации наклона GS18 T значительно повышает производительность и доступность RTK позиционирования в сложных для приема сигналов условиях. Эти преимущества достигаются за счет применения инновационных технологий отслеживания спутниковых сигналов и интеграции GNSS/ INS измерений. Основные характеристики и преимущества GS18 T сводятся к следующему:

• Используя компенсацию наклона, мгновенные измерения обеспечивают такой же уровень точности, как статические RTK измерения, наряду с благоприятным эффектом экономии времени.
• По сравнению с обычными RTK измерениями с горизонтирование вехи, RTK измерения с компенсацией наклона значительно повышают производительность - до 33% и значительно улучшает характеристики позиционирования вблизи зданий, обеспечивая лучшую доступность и точность решения.
• На автостоянках с магнитными помехами, компенсация наклона на основе инерциального блока дает более точные измеренные местоположения и более реалистичную CQ, чем метод, основанный на магнитометре.
• RTK измерения основанные на компенсации наклона с инерциальным блоком применимы при больших углах наклона, превышающих 30 градусов. 3D точность позиционирования составляет примерно 2 см.
• Благодаря включению измерения направленности антенны в трехмерную визуализацию исполнитель сможет легко ориентироваться при проведении съемки, что повысит его производительность и снизит усталость.
• Информация об ориентации RTK измерений с компенсацией наклона является полностью отслеживаемой, что позволяет обеспечить качество выполненных работ для самих пользователей и их клиентов.

С Leica GS18 T, самым быстрым в мире GNSS RTK ровером, компания Leica Geosystems устанавливает новые стандарты точного позиционирования, основанные на использовании комбинации нескольких датчиков.
Ссылки на использованные в статье материалы

Caizzone, S., Circiu, M.-S., Elmarissi, W., Enneking, C., Felux, M., Yinusa, K.-A. (2018) Однородность диаграммы направленности антенны - влияние на погрешность отслеживания псевдодальностей. GPS World, 29(2):18–32.
Crassidis, J.L., Markley, F.L. (2003) Фильтрация оценки ориентирования космического аппарата. Журнал руководства, управления и динамики, 26 (4): 536–542.
Dusha, D. (2017) Геодезическая система и её методы. Патент США US9541392B2.
Groves, P. D. (2013) Принципы GNSS измерений, инерциальные и мультисенсорные интегрированные навигационные системы (2-е изд.). Artech House, Бостон Лондон, 800 с.
Хансон, К. (2017) Замечания к выпуску Leica Geosystems - Leica Infinity 2.4. Leica Geosystems AG, Хербруг, Швейцария, 30 ноября 2017 г., 12 стр.
Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., Wasle, E. (2008) GNSS - Глобальные навигационные спутниковые системы: GPS, ГЛОНАСС, Galileo и др. Springer-Verlag, Wien, 516 стр.
Hong, S., Lee, M.H., Chun, H.-H., Kwon, S.-H., Speyer, J.L. (2005) Наблюдаемость состояний ошибок при интеграции GPS/INS. IEEE Сделки по машинной технологии, 54 (2): 731-743.
Джекели, C. (2001) Инерциальные навигационные системы для геодезических приложений. Вальтер де Грюйтер, Берлин, Нью-Йорк, 352 стр.
Куртович З., Паган Р. (2009) Многорежимные активные геодезические инструменты. Европейский патент EP2040029A1.
Luo, X. (2013) Стохастическое моделирование GPS - измерения качества сигнала и ARMA процессы . Springer Theses, Springer-Verlag, Берлин Гейдельберг, 331 стр.
Luo, X., Chen, J., Richter, B. (2017) Как Galileo использует высокоточный RTK режим - Что ожидать от текущего созвездия. GPS World, 28(8):22–28.
Luo X., Schaufler S., Carrera M., Celebi I. (2018) Высокоточное RTK позиционирование с компенсацией наклона и без калибровки. In: Материалы конференции FIG FIG 2018, Стамбул, Турция, 6–11 мая 2018 г., 17 с.
Nichols, M.E., Talbot, N.C. (1996) Датчики наклона вехи для геодезии. Патент США US5512905A.
Pedley, M. (2012) eCompass: Изготовление и калибровка компаса для компенсации наклона. Circuit Cellar, 265:1−6.
Scherzinger, B.M. (2009) AINS усовершенствованный инструмент для исследований, патент США US2009024325A1.
Schmitz, M., Wübbena, G., Boettcher, G. (2002) Испытания изменений фазового центра различных GPS антенн и некоторые результаты. GPS Solutions, 6(1–2):18–27.
Steigenberger P., Thoelert S., Hauschild A., Montenbruck O., Langley R. B. (2018) Созвездие завершено: QZS-3 и QZS-4 присоединяются к квазизенитной спутниковой системе. GPS World, 29(2):43–48.
Титтертон, Д., Уэстон, Дж. Л. (2004) Технология инерциальной навигации Strapdown (2-е изд.). Серия IEE «Радар», «Сонар», «Навигация и авионика», № 17,
Институт инженерии и технологии, Стивенэйдж Хертс, 558 с.
Yang, C. (2017) Directions 2018: BeiDou развивается, диверсифицирует, расширяет. GPS World, 28(12):16–27.
Ян Н., Фристоун Дж. (2016) Высокопроизводительные GNSS антенны с квадратурной питающей сетью и обращением фаз паразитной круговой решетки. In: Слушания ION GNSS + 2016, Портленд, Орегон, 12–16 сентября 2016 г., с. 364−372.
Ян, Н., Фристоун, Дж. (2017) Микрополосковая патч- антенна с периферическими паразитными монопольными кольцевыми решетками. Патент США US20170047665A1.
Ян, Н., Гилбертсон, C. (2016) Широкая квадратурная фазовая четырехфазная сеть с низкими потерями для высокопроизводительной антенны GNSS. Патент США US 9343796B2.
Биографии

Сяогуан Ло получил докторскую степень в геодезии и геоинформатике в 2012 году, Технологический институт Карлсруэ, Германия. В сентябре 2013 года он присоединился к Leica Geosystems в качестве инженера по применению GNSS в группе управления GNSS продуктами.
Штефан Шауфлер получил степень магистра наук Степень в области геодезии и инженерной геологии в 2016 году в Техническом университете Вены, Австрия. С сентября 2017 года он является инженером по продукту GNSS в группе управления GNSS продуктами Leica Geosystems.
Бернхард Рихтер получил степень магистра в геодезии в Техническом университете Вены в 1999 году и получил степень магистра делового администрирования в Университете Глостершира в 2005 году. С 2000 года он работает в Leica Geosystems, в Швейцарии. С 2006 года он является бизнес-директором GNSS и возглавляет группу по управлению GNSS продуктами.
Leica Geosystems – when it has to be right

Совершенствуя мир измерений и съемок более 200 лет, Leica Geosystems является лидером в области измерительных и информационных технологий. Мы создаем полноценные решения для профессионалов по всему миру. Компания известна высококлассной продукцией и инновационными разработками всевозможных решений, поэтому профессионалы различных отраслей, таких как аэрокосмическая и оборонная, охрана и безопасность, строительство и производство, доверяют компании Leica Geosystems все свои потребности в получении геопространственных данных. Точные инструменты, современное программное обеспечение и надежные сервисы компании Leica Geosystems создают предпосылки для успеха тех, кто формирует будущий облик нашего мира сегодня.
Leica Geosystems является дочерней компанией Hexagon (Nasdaq Stockholm: HEXA B; hexagon.com) – это ведущий мировой поставщик информационных технологий, которые привносят качество и продуктивность в геопространственные и производственные ландшафты
О компании Hexagon

HEXAGON в России (до 16 мая 2017 года – ООО «НАВГЕОКОМ», новое наименование – ООО «ГЕКСАГОН ГЕОСИСТЕМС РУС») специализируется на продвижении решений дивизиона Hexagon Geosystems / Geospatial под торговыми марками Leica Geosystems, IDSGeoRadar, Intergraph, 3DReshaper и др. на рынке геодезического оборудования и спутниковой навигации, лазерного сканирования и оптико-электронных измерений, применяемых для широкого спектра задач в области геодезии, добычи полезных ископаемых, в гражданском и промышленном строительстве. В России клиентами HEXAGON являются более 3000 отечественных компаний.
Контакты

Узнать подробнее о компании Hexagon и оборудовании Leica можно на сайте http://geosystems.ru/

• Телефон: +7 (495) 933-22-77
• E-mail: info@geosystems.ru

 

Тут было бы уместно рассказать о различиях минимальных и максимальных версий,
цена-то более чем вдвое отличается

 

то что букав много это точно ну и цена такая же сколько Букав ну а по теме круто конечно вы снимите видео сравнения с конкурентами Китайцами и расскажите там почему надо заплатить 2 миллиона вместо 500 тыс.