Cinemática en tiempo real (RTK, traducido del inglés - "cinemática en tiempo real" [1] ): un conjunto de técnicas y métodos para obtener coordenadas planificadas y alturas de puntos de terreno de precisión centimétrica utilizando un sistema de navegación por satélite al recibir correcciones de la estación base recibida por el equipo del usuario durante la filmación. Es uno de los métodos DGPS .
La señal de radio del satélite durante la transmisión está sujeta a varias distorsiones. Hay tres causas principales de distorsión de la señal: las irregularidades atmosféricas (las principales son la ionosférica y la troposférica), la interferencia de objetos estacionarios y en movimiento, así como la re-reflexión de la señal o trayectos múltiples. Usando señales GNSS, puede determinar la posición del receptor en la superficie de la Tierra con una precisión decimétrica . Sin embargo, debido a las distorsiones sin el uso de equipos especiales, la precisión de posicionamiento real generalmente se mide en metros o decenas de metros (según la latitud, la cantidad de satélites visibles y otras condiciones). La distorsión se puede reducir significativamente con la ayuda de infraestructura terrestre adicional: sistemas de corrección diferencial .
Para obtener correcciones, las mediciones de la fase de la portadora GNSS se utilizan simultáneamente en dos receptores GNSS. Las coordenadas de uno de los receptores (base, fijo) deben determinarse con precisión (por ejemplo, se puede instalar en el punto de la red geodésica estatal ); transmite a través de un canal de comunicación (radiomódem, módem gsm, internet, etc.) un conjunto de datos llamados correcciones. Las correcciones recibidas por la estación y la señal del satélite son procesadas por el software de acuerdo con los algoritmos del software y las estadísticas acumuladas de las efemérides del satélite . Después de eso, se transmite una corrección diferencial desde la estación base al segundo receptor (móvil, "rover"), que refina la señal del satélite.
El móvil puede utilizar estos datos para proporcionar un posicionamiento preciso (hasta 1 cm en horizontal (1 cm + 1 ppm) y 2 cm en vertical) a distancias de hasta 30 km del receptor base. Para transmitir las correcciones se utilizan radiomódems, Internet, etc. Actualmente, el método RTK se utiliza en las frecuencias L1, L2. [2]
Las estaciones base de campo transmiten señales DGPS, generalmente a través de un módem de radio VHF o a través de operadores de telefonía celular . Cuando se utilizan señales de radio VHF, el terreno accidentado y montañoso generalmente no afecta la recepción de la señal. Sin embargo, las señales no llegan a cañones profundos ubicados lejos de las estaciones base y en áreas densamente boscosas. Y también está limitado por la presencia de torres celulares, en el caso de utilizar un módem GSM.
Las enmiendas se pueden transmitir en formato RTCM SC-104 (códigos de mensaje 3, 18-21, 32, 1003-1008 [3] ), CMR y CMR+, RTCA, ATOM. La velocidad de transmisión requerida es de 2400 bps o más, el retraso de transmisión no es más de 0,5 a 2 segundos. Para DGPS convencional , velocidades de 200 bps y retrasos de hasta 10 segundos eran suficientes, se requiere mucho más para flujos de información en formato SSR.
A partir de la versión 3.0, el estándar RTCM SC-104 incluye la capacidad de transmitir correcciones RTK para el sistema GLONASS . [3] . Las versiones 2.3 y posteriores 3.x no son compatibles, por lo que existen en paralelo.
La versión 3.1 admite varios formatos de datos de estaciones base de la red RTK (VRS, FKP y MAC), así como mensajes SSR (efemérides precisas y parámetros de deriva de reloj).
La versión 3.2 (febrero de 2013) agrega mensajes de señal múltiple (MSM). El formato MSM permite que el receptor utilice todos los sistemas de satélite. Los mensajes incluyen mensajes compactos y completos para pseudodistancias, mediciones de fase, relación portadora (señal) a ruido (resolución estándar y alta), frecuencia de medición de fase.
En octubre de 2016, se lanzó RTCM 3.3 (designación RTCM 10403.3), en el que se agregó BeiDou (BDS) a los mensajes recibidos para los sistemas GPS, GLONASS, Galileo y QZSS, y se combinaron todas las adiciones anteriores de las versiones 3.x.
Formatos RTCM Tradicionalmente se dividen en dos categorías: Representación de estado de observación (OSR) y Representación de espacio de estado (SSR) Estos grupos utilizan diferentes métodos, mecanismos de entrega y tecnologías subyacentes para resolver el mismo problema [4] .
Compact Measurement Record (CMR) es un formato bastante antiguo, contiene información solo de los satélites GPS L1/L2. Desarrollado por Trimble en 1992 como un método para transmitir datos de corrección de fase portadora y código en un formato compacto desde estaciones base GPS a móviles GPS para levantamientos GPS RTK.
CMR+ es la segunda generación de Trimble CMR. Tiene una estructura de mensajes más compacta que CMR. La porción de GPS de este protocolo originalmente era propiedad de Trimble, pero luego se descubrió y se convirtió en un estándar ampliamente utilizado.
CMRx se desarrolló en 2009 para admitir constelaciones GNSS que han sufrido cambios importantes. El objetivo de CMRx era mejorar el tiempo de inicialización, cubrir constelaciones centrales GNSS adicionales, manejar nuevas señales GNSS y mejorar el rendimiento en entornos urbanos y de cielo cerrado. [4] [5] [6] .
RTX es el formato patentado de Trimble que utiliza satélites de comunicación para enviar datos de corrección RTK al móvil en lugar de radios terrestres o redes celulares. El flujo de datos es en realidad datos de corrección CMRx. La compresión de datos CMRx mejorada es extremadamente importante para un sistema satelital porque el ancho de banda satelital es bastante costoso. Al igual que con CMRx, esto solo está disponible en los receptores de Trimble. [6] .
La Comisión Técnica para la Aeronáutica (RTCA) es un formato desarrollado por la Comisión Técnica de Radio para la Aeronáutica de EE. UU.
NCT es el formato de datos de corrección patentado de John Deere. En 1999, justo cuando la agricultura de precisión estaba despegando, John Deere adquirió el fabricante de GNSS NavCom. Hoy en día, la empresa fabrica receptores tanto para la agricultura como para otras industrias. El formato es auténtico y solo lo admiten los receptores John Deere. [6] .
Single Base RTK (traducido del inglés - "Single Base RTK") es una estación base que opera en modo RTK, que consta de 1 receptor de referencia, un microprocesador y un módem de radio VHF. Puede ser móvil para fines de geodesia y, en casos excepcionales, estacionario para fines de navegación. La cobertura está limitada a áreas locales de hasta 40 km de una sola estación. A medida que aumenta la distancia desde la base, disminuye la capacidad de resolver ambigüedades, lo que afecta la precisión para determinar la posición del móvil móvil. Alcances de precisión en planta: 0,01 m +/-0,5 ppm, y en vertical: 0,02 m +/-1,0 ppm [7] . O 12 mm en planta y 60 mm en altura, a la máxima distancia de la base.
Red RTK o estación de referencia múltiple (traducido del inglés - "varias estaciones de referencia") [8] - Un modelo matemático de una configuración que combina 2 o más receptores GNSS de referencia (OP) en una red conectada a través de líneas de comunicación (dirección IP (Internet ) o líneas de comunicación celular en formato GSM) en un solo complejo. Los receptores de referencia transmiten continuamente sus observaciones satelitales individuales al servidor. El software de red resuelve con precisión las ambigüedades de los satélites que son observados por los receptores de referencia (RR). La distancia máxima entre los OP no supera los 70 km entre sí [7] .
El concepto RTK-Network se utiliza para crear Sistemas de Corrección Diferencial en 2 versiones: sistemas geodésicos STP (Precise Positioning System) y Estación de Control y Corrección (CCS) para sistemas de navegación. Ambas configuraciones requieren un servidor central (procesador potente) para el cálculo de correcciones y líneas de comunicación para la recopilación de información. El concepto de RTK-Network permite modelar (esperar) los principales errores en áreas de diferentes áreas con diferente calidad (precisión).
Estación de Control y Corrección (KKS)Estaciones de control y corrección o estaciones de recolección de medidas, que son un conjunto de equipos de navegación de alta precisión diseñados en configuración redundante. Tradicionalmente, el CCS contiene 2 o más estaciones de referencia instaladas en puntos con coordenadas conocidas, lo que garantiza confiabilidad y autonomía en caso de fallas y la confiabilidad de la información recolectada [9] [10] .
Sistemas de posicionamiento de precisiónLos sistemas de posicionamiento de precisión, que consisten en estaciones de referencia, forman una sola red. Los datos recibidos de las estaciones fluyen al centro de cómputo, que incluye tanto el hardware como el software apropiados. Las facilidades de comunicación de las estaciones de referencia aseguran la transmisión constante de datos al centro de cómputo, los cuales son automáticamente archivados y convertidos al formato RINEX. Después de la formación de las correcciones diferenciales, los medios de comunicación del centro de cómputo las transmiten a los usuarios autorizados que operan en el modo RTK [11] . Dichos sistemas se implementan en Alemania, Suiza, los Países Bajos, Francia, Dinamarca y Suecia. [12] . En el territorio de Rusia, Moscú y la región de Moscú, San Petersburgo y la región de Leningrado, las regiones de Sverdlovsk y Samara están completamente cubiertas. [13] [14] Sebastopol y Kaliningrado (con la región). La cobertura del 90% se encuentra en el Territorio de Krasnodar, las Repúblicas de Crimea, Tatarstán, Udmurtia y Chuvashia, las regiones de Omsk y Voronezh, Kurgan y Rostov. Para 2019, más de 6 grandes empresas que ofrecen servicios STP estuvieron representadas en Rusia (RTK-Net [15] , PrinNet [16] , Topnet [17] , SmartNet [18] , eft-cors [19] , SSTP BTI [20] ) usando equipos de diferentes compañías. Las redes compiten e interactúan de forma paritaria.
Hoy en día, las redes RTK implementan varios métodos para crear correcciones precisas, como MAX e i-MAX, VRS o VBS y FKP [7]
MAX e i-MAXMAX e i-MAX ( Correcciones Master-Auxiliary en traducción del inglés - “Correcciones Master-auxiliary”) El método se basa en el concepto del mismo nombre MAC (Master Auxiliary Concept), propuesto conjuntamente por Leica Geosystems y Geo++ en 2001. MAX individual (i-MAX) fue diseñado para admitir receptores más antiguos que no pueden recibir correcciones MAX.
El concepto es corregir las coordenadas del rover a través de la más cercana (condicionalmente la estación maestra principal). Este concepto permite que el móvil sea más flexible: el móvil siempre puede rastrear la solución RTK y cambiar sus cálculos a medida que se mueve.
La información sobre las modificaciones se recopila de la red (varias estaciones base conectadas a un servidor), se procesa mediante un software especializado y se transmite al usuario. Por lo tanto, las correcciones MAX e i-MAX vinculan el receptor base al móvil y la línea se puede volver a medir [21] .
VRS o VBSVRS ( Estación de referencia virtual traducida del inglés - "estación de referencia virtual") o VBS ( Estación base virtual traducida del inglés - "estación base virtual") [22] - El método de estación base virtual fue desarrollado por Terrasat a fines de la década de 1990. Este método, al igual que los métodos MAX, genera correcciones simulando RTK en el modo de estación base única: el móvil envía coordenadas aproximadas de su propia posición (mensaje GGA) al servidor, el servidor genera automáticamente una base condicional (virtual) a distancia. de 10-15 metros del rover, fijando el peso una estimación para cada estación de referencia en función de la distancia a la zona de trabajo (receptor que recibe la corrección). Luego, con la ayuda de un software especializado, se inicia la modalidad de generación de correcciones desde la estación virtual. El móvil ya empieza a funcionar desde la estación virtual. Como resultado, se obtiene un conjunto de correcciones diferenciales, optimizado para un área de trabajo determinada. Esto no garantiza la uniformidad de las mediciones, y la generación repetida de estaciones base al encender/apagar el móvil conduce a saltos de posición. Sin embargo, VRS permite lograr una precisión subcentimétrica a distancias relativamente grandes: 50-70 km en tiempo real, en una red uniforme en toda el área [21] [23] [22] .
Ventajas de VRS o VBS.
FKP (Parámetro Flächen Korrektur en alemán - "método de corrección de área")) - [24] [25] Este método implica el cálculo de correcciones diferenciales sobre un área cubierta por varias estaciones base (área de soluciones esperadas). Sin tener en cuenta la posición preliminar del receptor de satélite móvil. Se utiliza un polinomio de dominio lineal para proporcionar correcciones. Se refiere a una superficie que se define como paralela al elipsoide WGS-84 a la altura de la estación de referencia, es decir, el pseudorango del móvil móvil. A partir del conjunto de coordenadas relacionadas con el sector de la superficie (el área de soluciones esperadas), se pueden calcular las que corresponden a la diferencia de fase de las frecuencias de las portadoras L1 y L2, respectivamente, en pseudodistancia corregida por errores dependientes de la posición. [26]
A finales de los 90, el Grupo de Investigación en Astronomía y Geomática (gAGE) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) propuso el concepto de Wide Area RTK para resolver una serie de problemas. Basado en la desambiguación de la fase de la portadora en tiempo real. Lo que le permite expandir los servicios locales a gran escala (es decir, aumentar la cobertura de las líneas base entre el rover y la estación base hasta 100 km), tanto para receptores de dos frecuencias como para receptores multisistema (los receptores de una sola frecuencia son fundamentalmente excluidos). La técnica se basa en la combinación óptima de modelos ionosféricos y geodésicos precisos en una red de estaciones de referencia permanentes. El principal factor que limita la extensión del alcance del método RTK más allá de unas pocas decenas de kilómetros es la corrección ionosférica diferencial entre el móvil y la estación de referencia GNSS más cercana. Tal corrección evita que se propague la ambigüedad en tiempo real y, por lo tanto, mantiene una navegación precisa a un nivel subdecimétrico adecuado. Es decir, se cortan los principales errores. El principal error sigue siendo el ionosférico y sus correlaciones, cuya mitigación se convierte en el principal problema que debe resolverse, que tiene un valor sin peso en el contexto de los demás. El método se ha demostrado en datos reales, pero aún no se ha implementado, a pesar de que aumenta la cobertura de 500 a 900 kilómetros desde la estación base y, como resultado, requiere de 100 a 1000 veces menos receptores para cubrir una región determinada. [27] [28]
Las correcciones se transmiten a través de un canal de radio (en frecuencias de 410-470 MHz para la mayoría de los dispositivos). La base se puede establecer en un punto (punto) con coordenadas conocidas, o sus coordenadas pueden ser autónomas, con coordenadas promediadas durante un cierto intervalo de tiempo (generalmente varios minutos). En el segundo caso, el trabajo se lleva a cabo calibrando el área de trabajo utilizando puntos conocidos en el software del controlador de campo utilizado para trabajar con el receptor móvil. Los radiomódems integrados en los receptores base tienen una potencia de hasta 4-5 W y están equipados con antenas compactas (hasta 30 cm) para operar en distancias cortas. Para aumentar el rango operativo, los módems de radio externos con una potencia de hasta 35-40 W se utilizan con una fuente de alimentación separada y antenas más grandes (hasta varios metros), generalmente en una base separada.
ventajas:
Defectos:
GSM: la comunicación se puede proporcionar a través de: la terminal interna del receptor, la terminal externa conectada al receptor a través de RS-232, a través de la terminal del controlador de campo (relevante para el móvil).
CDSCSD (Circuit Switched Data en traducción del inglés - "Data with Channel Switching"). La transmisión de correcciones desde la estación base se realiza directamente, "marcando" el móvil al número de la tarjeta SIM instalada en el terminal GMS de esta base. Hasta 2010 fue popular, pero a partir de 2010, los operadores móviles comenzaron a dejar de soportar este servicio gradualmente, dejándolo en una de las tarifas para dispositivos IoT.
ventajas:
Defectos:
NTRIP (Transporte en red de RTCM a través del Protocolo de Internet). Introducido en septiembre de 2004 por la Agencia Federal Alemana de Cartografía y Geodesia (BKG) y el Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad de Dortmund DUDCS. La transmisión de correcciones desde la estación base se realiza a través de una computadora con una dirección IP blanca (estática) en la que se instala un software especial. La descripción del protocolo define 4 componentes básicos del sistema:
Hay receptores con función de rueda integrada que pueden proporcionar una pequeña cantidad de rovers (generalmente hasta 10-30). Como regla general, se instalan de forma permanente conectándose a Internet a través de un enrutador con la configuración de reenvío de puertos en la que está configurado el lanzador y una dirección IP directa.
Existen servicios de Internet que brindan funciones de caster con una configuración intuitiva. Para trabajar, necesitará una base propia o "amigable" con GSM y su propio rover, y una pequeña tarifa de suscripción (comparable al costo de la tarifa de Internet del operador móvil).
ventajas:
Defectos:
Similar a NTRIP pero carece de control de flujo. En Internet, existe un servidor similar a HTTP capaz de recibir y enviar datos en uno o más puertos sin analizar la información transmitida.
ventajas:
Defectos:
Similar a NTRIP, pero las correcciones se transmiten desde la estación base a través del servicio de Internet de CHC.
ventajas:
Defectos:
La tecnología RTK se utiliza en una gran cantidad de industrias: en geodesia y catastro de tierras, construcción, agricultura de precisión, monitoreo de objetos industriales en movimiento y estructuras de capital, navegación de alta precisión (en tierra, en el agua y en el aire).
La principal ventaja del modo es la capacidad de obtener coordenadas con una precisión de hasta ~ 1 cm en planta y hasta ~1,5 cm en altura en tiempo real .
RTK no funciona cuando menos de 5 de los mismos satélites GPS son visibles al mismo tiempo en la base y en el móvil. De los satélites originales [29] . En vista de lo cual, RTK no puede funcionar en cañones profundos, así como en áreas urbanizadas en presencia de una señal reflejada. y La operación estable de RTK no está garantizada más allá de 20-30 km de la base (el método DGPS en sí funciona en un área pequeña de la base, debido al estado aproximadamente uniforme de la atmósfera). [30] [24] [31]
Durante las tormentas geomagnéticas, puede que no haya una solución fija (solución fija - se resuelven todas las ambigüedades de fase - un número entero de longitudes de onda en la línea del receptor del satélite). Dado que el método RTK se basa en mediciones de fase de seudorango, incluso en condiciones ideales de visibilidad del satélite y una pequeña distancia base-móvil.
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