CC BY
142
УДК 528.06
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОБОДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПОСТОБРАБОТКИ ГНСС-ИЗМЕРЕНИЙ
Станислав Олегович Шевчук
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, кандидат технических наук, зав. лабораторией геодезического и метрологического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: staspp@211.ru
Карина Ивановна Малютина
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студентка, тел. (913)716-61-30, e-mail: malyutina.karina.ivanovna@yandex.ru
Леонид Алексеевич Липатников
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, ведущий инженер, руководитель ЦКП «ГНСС-технологии», тел. (923)227-89-57, e-mail: lipatnikov_l@mail.ru
В статье рассмотрена возможность применения некоммерческих программных продуктов и онлайн-сервисов для постобработки ГНСС-измерений. Выполнены сравнительные испытания различных программ в режимах статики и кинематики относительным методом и методом PPP. В качестве примера некоммерческих программ взят пакет RTKLIB. Коммерческие программы представлены ПО Magnet Office Tools, GrafNav и Justin. Эксперименты показали, что результаты определения координат в статическом режиме, полученные с помощью коммерческого программного обеспечения (ПО), свободного ПО RTKLIB и бесплатного онлайн-сервиса CSRS-PPP, сопоставимы по точности. В кинематическом режиме наилучшие результаты получены с помощью онлайн-сервиса CSRS-PPP. В результатах обработки данных в кинематическом режиме методом PPP с помощью RTKLIB выявлены отклонения до 1,5 м от эталонной траектории, связанные с высокой частотой записи ГНСС-измерений. Сделан вывод о применимости свободного ПО и онлайн-сервисов для высокоточного позиционирования с некоторыми ограничениями.
Ключевые слова: ГНСС, GPS, постобработка, программы постобработки, RTKLIB, Precise Point Positioning.
Введение
В настоящее время широкий спектр инженерных и исследовательских задач, требующих высокоточного определения местоположения и времени, решается с применением ГНСС-технологий.
Получение координат и поправок шкал времени посредством аппаратуры ГНСС может осуществляться в режиме реального времени и при постобработке, выполняемой после завершения измерений.
В силу того, что при выполнении постобработки ГНСС-измерений, как правило, доступно большее количество дополнительных исходных данных
(измерения с дополнительных базовых станций, «точные орбиты» и пр.), а сама обработка может выполняться с прямой (forward) или обратной фильтрацией (reverse) по времени, считается, что результаты измерений могут быть получены наиболее точно [1].
Для постобработки ГНСС-измерений существует широкий спектр различного программного обеспечения (ПО), которое может быть условно разделено на следующие категории [2]:
- коммерческие программы;
- научные программы;
- некоммерческие программы.
Коммерческое программное обеспечение, как правило, служит для обработки измерений приемников определенного производителя. Перекрестная совместимость с другой аппаратурой при этом реализуется посредством универсального формата RINEX. Функционал подобных программ обычно удовлетворяет требованиям пользователя ГНСС, применяющего их для решения различных инженерных задач. Алгоритмы функционирования таких программ, как правило, скрыты от пользователя, декомпиляция таких программ и получение исходного кода запрещены лицензионным соглашением.
Примерами коммерческих программ могут служить: Trimble Business Center (Trimble Navigation Ltd.), Topcon/Magnet Tools (Topcon Positioning Systems Inc.), WayPoint GrafNav (NovAtel Inc.), Leica Geo Office (Leica Geosystems AG), Pinnacle/Justin (Javad GNSS Inc.) и др.
Научные программы зачастую имеют открытые алгоритмы. Их распространение может быть как бесплатным, так и коммерческим. Над такими программами трудятся научные коллективы. Такие программы обычно имеют сложный интерфейс, а их функционал позволяет решать ряд дополнительных научно-исследовательских задач. Примерами научного ПО являются: Bernese GNSS Software (Астрономический университет Берна), GAMIT/GLOBK (Мас-сачусетский институт технологий), GIBSY-OASIS II (Лаборатория реактивного движения NASA, Калифорнийский института технологий), GEONAP (Университет Ганновера) и др.
Некоммерческое программное обеспечение - явление, которое становится в настоящее время все более распространенным. Такое ПО распространяется бесплатно на основе свободных лицензий, их исходный код, как правило, открыт и может редактироваться пользователем. Функционал таких программ чаще всего соответствует коммерческому программному обеспечению (ПО) или несколько упрощен. Такие программы чаще всего разрабатываются научно-исследовательскими и образовательными организациями. Примерами некоммерческих программ для математической обработки ГНСС-измерений могут служить GPSToolkit (Университет Техаса в Остине) и RTKLIB (T. Tacasu).
Кроме того, обработка измерений может осуществляться посредством он-лайн-сервисов, часть из которых основана на относительном методе и использует данные ГНСС-измерений, полученные от сетей постоянно действующих ба-
зовых станций [2-4], что ограничивает территорию их функционирования зоной покрытия используемой сети. Другие сервисы используют метод Precise Point Positioning (PPP) [3, 4] для обеспечения глобальной доступности позиционирования с погрешностями на уровне первых сантиметров [3-6]. Большая часть онлайн-сервисов является бесплатной. Примерами онлайн-сервисов, имеющих мировой охват, могут служить [3, 4]: AUSPOS (Правительство Австралии), CSRS-PPP (Управление природных ресурсов Правительства Канады), APPS (Лаборатория реактивного движения NASA, Калифорнийский институт технологий), magicGNSS (GMV) и др.
Применение некоммерческих программ и бесплатных онлайн-сервисов потенциально может заметно повысить экономическую эффективность геодезических работ. Кроме того, такие программы могли бы использоваться в качестве запасного варианта при сбоях в процессе обработки с помощью коммерческого ПО.
Для исследования было выбрано некоммерческое программное обеспечение RTKLIB (версия 2.4.2), в настоящее время все шире используемое для решения различных прикладных и исследовательских задач [7-9].
Коммерческое ПО, взятое для сравнения, было выбрано на основе результатов исследований [10, 11]. Кроме того, в рамках данной статьи для сравнения обработки методом PPP была выполнена обработка измерений посредством он-лайн-сервиса CSRS-PPP Управления природных ресурсов Канады [12]. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики исследуемого ПО и сервиса [12-16].
Таблица 1
Исследуемое ПО и его характеристики
Наименования характеристик Программное обеспечение Онлайн-сервисы
Waypoint GrafNav 8.2 Magnet Office Tools Justin RTKLIB CSRS-PPP
Тип Коммерческое ПО Некоммерческое ПО Бесплатный PPP сервис
Разработчик NovAtel, Inc Topcon Position Systems, Inc Javad GNSS T. Tacasu IGS, Natural Resources Canada
Версия 8.2 2.5 2.121 2.4.2 1.05
Год выхода версии 2009 2013 2015 2013 2014
Наличие руководства + + + + +
Обработка L1/L2 + + + + +
Обработка кинематики + + + + +
Поддержка ГЛОНАСС + + + + Не указано
Возможность обработки измерений непосредственно ГЛОНАСС (без GPS) - + + + -
Окончание табл. 1
Наименования характеристик Программное обеспечение Онлайн-сервисы
Waypoint GrafNav 8.2 Magnet Office Tools Justin RTKLIB CSRS-PPP
Тип Коммерческое ПО Некоммерческое ПО Бесплатный PPP сервис
Разработчик NovAtel, Inc Topcon Position Systems, Inc Javad GNSS T. Tacasu IGS, Natural Resources Canada
Ограничение базовой линии (для двухчас-тотных измерений), км Фикс. решение 30 Не указано Не указано Не указано -
Предельная величина 1 500 Не указано Не указано Не указано -
Ограничение по частоте измерений Не указано Не указано До 100 Гц Не указано Интерполяция, если чаще 1 Гц
Поддержка RINEX 2.11 и выше + + + + +
Поддержка моделей геоидов (EGM08 и др.) + + + + Только CGVD
Возможность сетевого решения + + + - -
Решение методом Precise Point Positioning + - - + +
Модель тропосферы по умолчанию при использовании относительного метода Saasta-moinen Goad and Goodman Justin Saasta-moinen Hopfield + Davis (GPT)
Эксперимент в режиме статики № 1
Исследования выполнялись в июне 2016 г. на пунктах отраслевого геодезического полигона АО «СНИИГГиМС». Пункты располагаются в различных условиях приема спутникового сигнала (открытая местность, граница леса, лесная местность), табл. 2.
Такое расположение пунктов помогает исследовать точностные возможности ГНСС-аппаратуры и алгоритмов программного обеспечения в сложных ландшафтных условиях, для которых характерно наличие препятствий на радиогоризонте, и, как следствие, многолучевость и затухание спутниковых сигналов.
Таблица 2
Пункты, на которых выполнялись измерения в режиме статики
Наименование пункта Тип местности Расстояние от базовой станции, км
«Потанинский» Открытая (базовая станция)
«Спартак» Открытая 12,7
064 Граница леса 20,6
«Морской» Хвойный лес 17,8
4976 Лиственный лес 24,5
Измерения выполнялись двухчастотными мультисистемными приемниками Leica Viva GS10 с интервалом 1 с. Использовались системы ГЛОНАСС, GPS. Продолжительность сеансов измерений составляла 10, 30 и 60 мин. Расположение мобильной станции (ровера) на пунктах показано на рис. 1.
а) б) в) г)
Рис. 1. Расположение мобильной станции на пунктах эталонного геодезического полигона:
а) п. «Спартак» (открытая местность); б) 064 (граница леса); в) п. «Морской» (лиственный лес); г) 4976 (хвойный лес)
Базовая станция располагалась на п. «Потанинский», находившемся на крыше лабораторного корпуса АО «СНИИГГиМС».
При наблюдениях на указанных пунктах контролировались количество спутников и фактор потери точности PDOP, табл. 3.
Обработка выполнялась относительным методом с помощью ПО RTKLIB, GrafNav, Magnet OT и Justin. Результаты сравнения полученных координат пунктов с их эталонными значениями для различной продолжительности измерений приведены в табл. 4.
В табл. 4 зеленым цветом показаны фиксированные решения фазовой неоднозначности, желтым - плавающие, красным - решения по коду, серым - отсутствующие или навигационные решения (в расчет не брались).
Таблица 3
Условия приема спутниковых сигналов на пунктах измерения
и базовой станции
Наименование пункта, тип местности Продолжительность измерений, мин Количество спутников (среднее) Среднее значение PDOP
GPS ГЛОНАСС
п. «Спартак» (открытая местность) 10 10 8 1,4
30 9 8 1,4
60 10 7 1,4
064 (полузакрытая местность) 10 9 6 1,9
30 9 7 1,9
60 10 8 2,0
п. «Морской» (закрытая местность) 10 9 6 2,4
30 9 6 2,8
60 - - -
4976 (закрытая местность) 10 9 6 2,4
30 9 6 3,0
60 9 7 2,8
п. «Потанинский» (базовая станция) > 300 8-9 8-10 1,1-1,2
Таблица 4
Сравнение координат пунктов, полученных относительным методом в различном ПО, с эталонными значениями
Название пункта, тип местности Продолжительность измерений, мин Абсолютная погрешность позиционирования, м
GrafNav Magnet OT Justin RTKLIB
в плане по высоте в плане по высоте в плане по высоте в плане по высоте
п. «Спартак» (открытая местность) 10 0,03 0,02 0,08 0,07 0,03 0,07 0,03 0,11
30 0,03 0,01 0,06 0,06 0,03 0,06 0,04 0,10
60 0,03 0,01 0,03 0,00 0,03 0,06 0,02 0,08
п. 064 (граница леса) 10 0,04 0,02 0,04 0,00 0,03 0,06 0,04 0,10
30 0,03 0,06 0,19 0,16 0,04 0,04 0,04 0,08
60 0,03 0,06 0,03 0,01 0,03 0,05 0,05 0,05
п. «Морской» (лиственный лес) 10 0,88 0,03 0,74 0,66 0,77 2,02 0,14 0,09
30 0,17 0,10 0,19 0,16 0,12 0,06 0,10 0,05
п. 4976 (хвойный лес) 10 - - 0,71 1,50 4,11 5,60 0,12 0,46
30 6,48 9,23 1,48 1,58 0,20 0,36 1,17 1,59
60 23,72 43,94 1,29 2,36 - - 0,12 0,48
При этом в RTKLIB в режиме объединения статических решений (Solution of Static Mode) в одну точку (Single) всегда указывалось фиксированное реше-
ние, а фактический тип решений был доступен только при выводе статики в виде трека (All).
Отдельно производилась обработка методом PPP в ПО GrafNav и RTKLIB, а также c помощью онлайн-сервиса CSRS-PPP. При сличении эталонных и оцененных координат пунктов имел место систематический сдвиг, возникающий из-за различий в локальных и глобальных параметрах пересчета координат из WGS84/ITRF2008 в СК-42. Результаты приведены в табл. 5.
В табл. 5 цветом выделены решения, для которых плановое местоположение отличается от эталонного более чем на 1 м.
Таблица 5
Сравнение координат пунктов, полученных обработкой методом РРР с помощью различного ПО, с эталонными значениями
Наименование пункта, тип местности Продолжительность, мин Абсолютная погрешность позиционирования, м
GrafNav CSRS-PPP RT] KLIB
в плане по высоте в плане по высоте в плане по высоте
п. «Потанинский» (открытая местность) 360 0,17 0,25 0,18 0,23 0,16 0,27
п. «Спартак» (открытая местность) 10 0,20 0,12 0,08 0,13 0,35 0,25
30 0,20 0,15 0,10 0,12 0,19 0,03
60 0,18 0,11 0,12 0,15 0,12 0,10
п. 064 (граница леса) 10 0,15 0,05 0,14 0,09 0,67 0,94
30 0,14 0,07 0,13 0,06 0,50 0,83
60 0,14 0,04 0,12 0,05 0,41 0,31
п. «Морской» (лиственный лес) 10 0,04 0,11 0,93 1,26 0,93 3,14
30 0,82 0,02 0,42 0,65 0,35 0,79
п. 4976 (хвойный лес) 10 1,40 1,09 1,83 1,37 1,30 2,09
30 0,35 0,56 1,26 1,68 1,07 0,20
60 1,19 0,84 1,01 1,09 0,79 2,64
При выполнении обработки в каждой программе создавался проект, включающий в себя четыре наблюдаемых пункта с продолжительностью измерений 10, 30 и 60 мин. Для ОгаШау, ЯТКЫБ и СБКБ-РРР, однако, каждый сеанс измерений обрабатывался отдельно, так как отсутствовала возможность обрабатывать данные нескольких мобильных станций в одном проекте.
На рис. 2 отмечены оцененные с помощью различного ПО местоположения контрольных пунктов.
Рис. 2. Сравнение результатов оценивания планового местоположения пунктов,
полученных с помощью различного ПО
По итогам эксперимента можно констатировать, что, при позиционировании относительным методом, с помощью RTKLIB могут быть получены решения того же уровня точности, что и при использовании коммерческих программ: разности между решениями составили не более 1-2 см в плане и не более 4-5 см по высоте. Более того, в сложных условиях приема спутниковых сигналов программа RTKLIB в целом показала лучшие результаты, чем коммерческое ПО.
Что касается обработки методом PPP измерений, выполненных на открытой местности и на границе леса, координаты пунктов, полученные RTKLIB методом PPP, имели погрешности на уровне 0,1-0,3 м, что соответствует точности решения с помощью CSRS-PPP и GrafNav. Погрешность результатов, полученных с использованием всех испытуемых программ, в условиях закрытой местности достигала 1-2 м в плане.
Погрешность определения высот методом PPP c помощью RTKLIB для коротких сеансов была в 2-3 раза выше, чем c помощью CSRS-PPP и GrafNav, однако практически выравнивалась с ними при обработке сеансов продолжительностью 60 мин.
В целом, можно констатировать, что точность реализации метода PPP в RTKLIB соответствовала другим испытуемым программам, однако для этого требовалась большая продолжительность измерений.
Важно отметить, что продолжительность измерений, имевшая место в данных экспериментах, недостаточна для получения высокоточных результатов с помощью метода PPP в статическом режиме. Кроме того, эталонные координаты были известны на эпоху около 2006 г. и за прошедшие 10 лет изменились на несколько дециметров. Отчасти результаты этого эксперимента отражают трудности, возникающие при совмещении результатов PPP со статической координатной основой, которая на практике зачастую еще и подвержена значительным локальным деформациям. Вопросы оценки точности, качества и пути совершенствования координатной основы России, в том числе в части учета скоростей точек земной поверхности, рассмотрены в статьях [17-21].
Эксперимент в режиме статики № 2
Для сравнения различных средств обработки данных спутниковых измерений по методу PPP в статическом режиме был проведен эксперимент с использованием данных GPS-измерений, полученных на постоянно действующих базовых станциях геодезической сети Международной службы ГНСС (IGS).
Поскольку геометрия расположения спутников относительно горизонта станции, а следовательно, и геометрический фактор потери точности, зависит от широты станции, для эксперимента было выбрано 7 станций IGS, расположенных на разных широтах: от -77,8 до +82,5°.
Так же, как и в предыдущем эксперименте, координаты определены с использованием различных средств: коммерческое ПО GrafNav, свободное ПО RTKLIB, бесплатная онлайн-служба обработки данных CSRS-PPP. При обработке использовались окончательные (final) уточненные эфемериды и оценки поправок часов спутников c интервалом 30 с.
Оценка точности выполнялась путем сравнения полученных оценок координат с эталонными значениями из каталога ITRF2008 на дату измерений. Результаты приведены в табл. 6.
На основании данных табл. 6 вычислены среднеквадратические отклонения оценок координат от эталонных значений (среднеквадратические погрешности - СКП) и приведены в табл. 7. Погрешности оценок координат пункта NKLG (Либревиль), полученных с помощью ПО GrafNav, в табл. 6 достигают метрового уровня, так как в этом случае не удалось получить решения по методу PPP - координаты определены абсолютным методом по кодовым измерениям. Заметим, что, в отличие от предыдущего эксперимента, в данном случае ПО RTKLIB позволило получить лучшие по точности решения по результатам обработки коротких сеансов измерений, выполненных на пункте NKLG, где, по всей видимости, имелся источник помех.
Таблица 6
Отклонения оценок координат станций ЮБ от эталонных значений
Станция (широта) Длитель- GrafNav RTKLIB CSRS-PPP
ность сеанса, ч AE, мм AN, мм AU, мм Л 77 AN, AE, мм мм AU, мм Л 77 AN, AE, мм мм AU, мм
1 -11 18 28 -22 10 -29 -11 16 45
ALRT 2 2 31 39 -22 14 -6 -14 16 9
(82,5°) 4 2 40 21 -18 12 43 -17 16 27
6 1 35 15 -18 16 41 -14 16 23
1 36 -31 -26 44 -9 -58 0 3 -42
MDVJ 2 59 -57 4 34 -10 -49 19 3 -25
(56,0°) 4 17 -52 -13 -3 -6 -47 6 -8 -10
6 9 -49 -15 -6 -7 -33 6 -8 -9
1 35 -14 36 -15 14 50 42 23 21
MAUI 2 27 -16 22 -10 10 31 21 12 -8
(20,7°) 4 -5 -20 -15 -13 9 10 11 1 -22
6 -1 -22 -36 -5 9 4 0 1 -19
1 1137 -303 -815 136 26 6 -58 57 902
NKLG 2 1137 -303 -815 53 0 -17 31 79 498
(0,4°) 4 1137 -303 -815 27 -2 -8 20 2 -18
6 1137 -303 -815 4 -5 -9 9 2 -17
1 25 -10 62 75 16 42 -6 14 28
HRAO 2 55 -1 88 64 23 68 4 14 22
(-25,9°) 4 15 -20 59 30 12 39 14 3 31
6 12 -22 77 19 13 42 14 14 36
1 -46 -83 39 -58 -3 66 -15 5 27
MAC1 2 -30 -51 55 -36 -2 42 -21 -6 20
(-54,4°) 4 -14 -24 32 -3 -4 27 -15 -6 14
6 -7 -30 26 -16 -4 36 -21 -6 15
1 3 -57 59 -14 -3 -6 2 -6 25
MCM4 2 -14 -22 55 -15 0 45 -5 -6 37
(-77,8°) 4 -6 -15 30 -5 -4 19 -3 -6 24
6 1 -6 37 -3 -10 4 -3 -6 30
Результаты для пункта ККЬО не учитывались при вычислении средне-квадратических погрешностей в табл. 7.
Таблица 7
Среднеквадратические погрешности оценок координат
GrafNav RTKLIB CSRS-PPP
Сеанс, ч СКП СКП СКП СКП СКП СКП СКП СКП СКП
E, мм N, мм U, мм E, мм N, мм U, мм E, мм N, мм U, мм
1 30 44 44 44 10 46 19 13 33
2 37 35 51 35 12 44 16 11 22
4 11 31 32 15 9 34 12 8 23
6 7 30 40 13 11 31 12 10 24
Из табл. 6 и 7 можно сделать вывод о том, что в целом результаты обработки с использованием GrafNav, RTKLIB, CSRS-PPP оказались сопоставимы, однако несколько лучшие результаты показали онлайн-служба CSRS-PPP и свободное ПО RTKLIB.
Эксперимент в режиме кинематики
В качестве экспериментальных данных были взяты кинематические измерения, выполненные приемником Javad Sigma G3T в ходе аэрогеофизических работ в июле 2013 г. в Курагинском районе Красноярского края, проводившиеся ЗАО «Аэрогеофизическая разведка». Расстояние от базовой станции (БС) не превышало 30 км, запись велась с частотой 5 Гц. Эта же траектория использовалась в исследованиях, рассмотренных в [10,11].
Общий вид исследуемой траектории показан в программе RTKLIB после обработки относительным методом и методом PPP на рис. 3.
. i 1 мм,« Т + ■ Н 1« .til . * Ъ О
а) б)
Рис. 3. Обработанная траектория полета в программе RTKLIB а) относительным методом; б) методом PPP
Ранее были выполнены исследования коммерческого ПО в кинематическом режиме, описанные в работе [10]. В указанной публикации не давалось оценок точности для траекторий, полученных обработкой в различных
программах, однако были приведены результаты их сравнения. В данном случае также были проанализированы разности в координатах и высотах соответствующих по времени эпох траекторий, полученных ЯТКЫБ и коммерческими программами.
Графики разностей плановых координат и высот точек траекторий, полученных относительным методом и методом РРР в ПО ЯТКЫБ и коммерческих программах, приведены на рис. 4.
а)
б)
Рис. 4. Графики сравнения координат и высот точек траекторий, полученных с помощью ЯТКЫБ и других испытуемых программ и сервисов:
а) относительным методом; б) методом РРР
В разностях между решениями RTKLIB и другого ПО на рис. 4 очевидны общие закономерности, позволяющие предположить, что алгоритмы, используемые в RTKLIB, могут иметь индивидуальные особенности, отличные от остальных программ.
В целом, координаты и высоты траектории, получаемые относительным методом, отличаются на 3-4 см.
Кроме того, сравнение качества обработки траектории выполнялось по отчетам по обработке измерений, предоставляемым сервисами и программами, а также по продолжительности обработки траектории.
В указанных отчетах для оценки точности оценивания траектории в GrafNav, RTKLIB и CSRS-PPP приводились величины стандартных отклонений (StDev) в плане и по высоте для каждой эпохи; в ПО Justin и Magnet Tools каждая эпоха обработанной траектории характеризовалась СКП в плане и по высоте (horizontal/vertical RMS). Здесь, несмотря на различия в названии точностных параметров, речь идет об оценке точности по внутренней сходимости результатов.
Результаты раздельного анализа отчетов по обработке приведены в табл. 8.
Таблица 8
Анализ каталогов полученных траекторий по отчетам об обработке
Наименования характеристик Относительный метод PPP
GrafNav Magnet OT Justin RTKLIB GrafNav CSRS-PPP RTKLIB
Время обработки полета, мин 10 > 60 15 45 15 ~25 10
Качество разрешения многозначности, % Фиксированные 94,4 65,5 100,0 68,9 0 100,0 100,0
Плавающие 5,6 34,45 - 31,1 100,0
Кодовые - 0,05 - - - - -
Нет решения - - - - - - -
Средняя внутренняя погрешность (СКП или 81Беу) в плане, м 0,02 0,04 0,02 0,04 0,11 0,02 0,3
Средняя внутренняя погрешность (СКП или 81Беу) по высоте, м 0,04 0,06 0,02 0,08 0,16 0,05 0,4
Примечание: анализировались эпохи непосредственно кинематической траектории полета (68 500 эпох, 3 ч 50 мин) из общей продолжительности измерений 6 ч.
В табл. 9 приведены статистические величины, характеризующие результаты сравнения ЯТКЫБ с другими испытуемыми программами и сервисами.
Таблица 9
Разности решений RTKLIB и других испытуемых программ
Наименование параметра Относительный метод PPP
GrafNav Magnet OT Justin GrafNav CSRS-PPP
СКП разностей, м (в плане; по высоте) 0,03; 0,04 0,04; 0,07 0,04; 0,04 0,83; 0,87 0,71; 0,93
Средняя разность, м (в плане; по высоте) 0,03; 0,02 0,02; 0,02 0,03; 0,03 0,58; 0,35 0,51; 0,15
Результаты обработки методом PPP с помощью RTKLIB отличаются от решений CSRS-PPP и GrafNav на величину около 0,7-0,9 м в плане и по высоте. При этом решения СSRS-PPP и GrafNav имеют минимальные различия между собой. Характерный скачок в средней части графиков объясняется сменой суток по шкале времени GPS.
Для более объективной оценки качества обработки методом PPP в RTKLIB и другом испытуемом ПО, было выполнено сравнение координат и высот, полученных данным методом с координатами точек траектории, полученной в ПО GrafNav относительным методом (рис. 5).
5
flffif ifinm г [Yf Ttinm ^"nn зпт: «шипп «rim flrrrn ^тл finnto е^пгп
Эпохи
* ЙТКЦЬ-РРР Сгз^ЗУ-РРР ~ С5Е5-РРР |
Рис. 5. Графики сравнения координат и высот точек траекторий, полученных в программах/сервисах методом РРР с траекторией, обработанной относительным методом в ПО ОгаШау
Из приведенных графиков очевидно, что решения сервиса СБЯБ-РРР наиболее близки к результатам обработки относительным методом, а наиболее грубые (до 1,5 м) отклонения имеют решения ЯТКЫБ.
Дальнейшие исследования причин таких погрешностей показали, что наблюдаемые погрешности связаны с высокой частотой измерений (5 Гц). При разрежении измерений, СКП, оцененные по разностям в плане и по высоте, уменьшаются до величин 0,3 и 0,4 м, что сравнимо с решениями СБЯБ-РРР. Однако для решения ряда задач, связанных с позиционированием быстро движущихся объектов, такая периодичность измерений не является оптимальной.
Заключение
Безусловно, на данном этапе (версия 2.4.2) ЯТКЫБ имеет ряд недостатков в сравнении с коммерческим ПО:
- сложный пользовательский интерфейс;
- невозможность обработки данных нескольких мобильных станций (роверов) в рамках одного проекта;
- недостаточные возможности настройки систем отсчета (по умолчанию доступна только WGS84);
- сравнительно медленная обработка кинематики (относительным методом позиционирования);
- отсутствие алгоритмов сетевого решения (используется не более одной базовой станции);
- отсутствие поддержки режима «Б1юр-апё^о».
Эти недостатки ощутимо сужают круг задач, решаемых программой. Часть из отсутствующих функций, однако, может быть запрограммирована пользователем.
Вместе с тем, необходимо отметить ряд достоинств данной программы, выгодно выделяющих ее на фоне коммерческого ПО:
- поддержка большинства функций современного коммерческого ПО для постобработки фазовых измерений (обработка базисных векторов Ь1+Ь2; работа в реальном времени в абсолютном, дифференциальном и ЯТК режимах; поддержка универсального формата ЯШЕХ и пр.) [13];
- поддержка большого количества сторонних форматов (посредством встроенной утилиты TEQC);
- возможность обработки методом РРР;
- наличие фильтра Кальмана в прямом и/или обратном направлении;
- открытый программный код, подробно изложенные алгоритмы, возможность дополнения и усовершенствования;
- свободное распространение на основе бесплатной лицензии.
По результатам проведенных экспериментов, установлено, что статические решения, получаемые посредством некоммерческой программы ЯТКЫБ, имеют отличия от решений, получаемых коммерческими
программами относительным методом позиционирования, в пределах 1-2 см в плановых координатах и 4-6 см по высоте.
При этом в залесенной местности программа показала себя более надежно, чем коммерческие аналоги. Это свойство может быть использовано, например, при геодезическом обеспечении геолого-геофизических работ, зачастую проводимых в подобной местности [22, 23].
При обработке кинематических траекторий, разности между координатами, получаемыми RTKLIB и коммерческим ПО, возрастают в 1,5-2 раза.
Таким образом, при постобработке ГНСС-измерений относительным методом, программа RTKLIB показывает качество решений, сопоставимое с коммерческими программами, несмотря на отсутствие некоторых дополнительных возможностей.
Координаты и высоты, полученные методом PPP в статическом режиме с помощью RTKLIB, CSRS-PPP, GrafNav, примерно соответствуют друг другу.
В режиме кинематики решения RTKLIB методом PPP имели отличия от других испытуемых программ на уровне 0,7-0,9 м в плане и по высоте, что несколько ограничивает применение данного режима. Указанные погрешности были выявлены при интервале измерений 0,2 с. В проведенном эксперименте погрешность уменьшалась при увеличении интервала измерений за счет разрежения набора данных.
На данном этапе, безусловно, существует техническая возможность применения свободного ПО для решении как научных, так и инженерных задач. Следует рассмотреть вопрос о сертификации этого ПО, так как обязательная процедура утверждения типа средств измерений, в том числе ГНСС-аппаратуры, предполагает идентификацию программного обеспечения и оценку его влияния на метрологические характеристики средства измерений.
В настоящее время RTKLIB продолжает активно дорабатываться, также продолжают развиваться и коммерческие программные продукты. Представляется маловероятным, что по всей совокупности характеристик, включая универсальность и удобство использования, свободное ПО в скором времени превзойдет коммерческие образцы. Как правило, некоммерческое ПО может быть эффективно использовано для решения узкого круга задач, в данном случае, для обработки данных ГНСС-измерений. На данный момент существует много узкоспециализированных программных продуктов под свободной лицензией: от калькуляторов координат [24] до средств обработки данных спутниковой радарной съемки [25]. Все большую популярность в настоящее время приобретают открытые геоинформационные системы и картографические сервисы [26, 27]. В этих условиях появляется возможность собрать полноценный инструментарий и выстроить альтернативные технологические цепочки с использованием исключительно некоммерческого программного обеспечения. Например, в качестве средства уравнивания геодезических сетей и менеджера систем координат, не предусмотренных в RTKLIB, можно использовать проверенное временем ПО SNAP и CONCORD, разработанное Службой геоинформации Но-
вой Зеландии и распространяемое бесплатно в виде исполняемых файлов [28] и исходных кодов [29].
В заключение следует отметить, что использование ПО с открытым алгоритмом является одним из условий качественной интерпретации получаемых результатов. Необходимо развивать технологии геодезических работ, опирающиеся на использование программного обеспечения, в котором каждый шаг обработки данных открыт пользователю, может быть проанализирован и усовершенствован. Это условие является крайне важным и для развития геодезии как науки, и для ее сохранения как сферы высококвалифицированной профессиональной деятельности.
Благодарности
За предоставленные программные ключи авторы выражают благодарность компаниям ЗАО «Аэрогеофизическая разведка» (WayPoint GrafNav) и ООО «Беспилотные технологии» (Javad Justin).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. El-Rabbany Ah. Introduction to GPS. - British Library Catalouging in Publication Data. - 2002. - 176 p.
2. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии в 2 т. Т. 2. : монография. - М. : Картгеоцентр, 2006. - 360 с.
3. Ocalan T., Erdogan B., Tunalioglu N. Analysis of web-based online services for GPS relative and precise point positioning techniques // Boletim de ciencias geodesicas. - 2013. - 19 (2). -P.191-207.
4. Rapinski J., Cellmer S. Tests of Selected Automatic Positioning Systems in PostProcessing Mode // Technical Sciences. - 2011. - No. 14 (1). - P. 45-56.
5. Bisnath S., Gao Y. Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future // GPS World. - 2009. - No. 4. - P. 43-50.
6. Chasagne O. One-centimeter accuracy with PPP // Inside GNSS. - 2012. - No. 2. - P. 49-54.
7. Jäger R. GOCA - GNSS Control [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://goca.info/docs/flyer/GNSSControl-Flyer_English.pdf.
8. Exploring ultra-low cost precision GPS with RTKLIB and Ublox receivers [Электронный ресурс] / RtkLib Explorer. - Режим доступа : https://rtklibexplorer.wordpress.com/.
9. Reach High accuracy L1 RTK GNSS [Электронный ресурс] / EMLID. - Режим доступа : http://emlid.com/reach/.
10. Шевчук С. О., Косарев Н. С., Антонович К. М. Сравнение коммерческих программ постобработки измерений ГНСС в режиме кинематики для геодезического обеспечения аэрогеофизических работ // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып 3 (35). - С. 79-102.
11. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Исследование коммерческих программ постобработки измерений ГНСС в режиме кинематики для геодезического обеспечения аэрогеофизических работ. Первые результаты // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Ме-ждунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. - C. 69-76.
12. Precise Point Positioning [Электронный ресурс] / National Resources Canada - Earth Sciences. - Режим доступа : https://webapp.geod.nrcan.gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php.
13. RTKLIB: An Open Source Program Package for GNSS Positioning [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.rtklib.com/.
14. GrafNav/GrafNet User Guide [Электронный ресурс] / NovAtel. - Режим доступа : http://www.novatel.com/assets/Document/Downloads/NavNet780_Manual.pdf.
15. Justin. Руководство по использованию ПО [Электронный ресурс] / Javad GNSS. -Режим доступа : http://www.javadgnss.ru/doc/justin/Justin_Software_Manual_RUS.pdf.
16. Magnet Tools. [Электронный ресурс]. Справочное руководство. Серийный номер 1002090-01. - Режим доступа : https://eu.sokkia.com/sitesdefault/files/sc_files/downloads/ mag-net_field_v300_help_manual_en.pdf/.
17. Нехин С. С. Основные проблемные вопросы перевода картографического обеспечения в систему координат ГСК-2011 // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 2 (30). - С. 38-47.
18. Липатников Л. А. Эксперимент по формированию геоцентрической земной координатной основы на территории России и ближнего зарубежья // Вестник СГУГиТ. - 2016. -Вып. 3 (35). - С. 16-24.
19. Аврунев Е. И., Пархоменко И. В. Совершенствование координатного обеспечения государственного земельного надзора // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 2 (34). - С. 150-157.
20. Лагутина Е. К. Апробация методики включения сети постоянно действующих базовых станций Новосибирской области в государственную геодезическую сеть // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 3 (35). - С. 35-40.
21. Анализ состояния государственной геодезической сети России с учетом существующих и перспективных требований / Е. М. Мазурова, К. М. Антонович, Е. К. Лагутина, Л. А. Липатников // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 3 (27). - С. 84-89.
22. Шевчук С. О. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 2. - С. 251-258.
23. Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. -С.174-180.
24. NGS Geodetic Toolkit [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.ngs.noaa.gov/TOOLS/.
25. Next Era SAR Toolbox [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://earth.esa.int/web/nest/home.
26. Открытые ГИС 2015: Материалы [Электронный ресурс] Открытые ГИС 2015. -Режим доступа : http://gisconf.ru/materials.
27. Дубинин М. Ю., Рыков Д. А. Открытые настольные ГИС: обзор текущей ситуации // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. - 2009. - № 5 (72). - С. 20-27.
28. Land Information New Zealand. Download Geodetic Software [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://www.linz.govt.nz/data/geodetic-services/download-geodetic-software.
29. Land Information New Zealand on GitHub [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://github.com/linz.
Получено 16.10.2017
© С. О. Шевчук, К. И. Малютина, Л. А. Липатников, 2018
PROSPECTS OF USING FREE SOFTWARE FOR GNSS MEASUREMENTS POST-PROCESSING
Stanislav O. Shevchuk
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials, 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, Ph. D., Head of the Geodetic and Metrological Support of Geophysical Works Laboratory, phone: (383)222-45-86, e-mail: staspp@211.ru
Karina I. Malyutina
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Student, phone: (913)716-61-30, e-mail: malyutina.karina.ivanovna@yandex.ru
Leonid A. Lipatnikov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Leading Engineer, Head of Center for GNSS Technologies, phone: (923)227-89-57, e-mail: lipatnikov_l@mail.ru
Opportunities of free software application for GNSS post-processing are discussed in the article. The comparison of the performance of different examples of commercial and free software for GNSS Post Processing in relative and PPP kinematic and static modes are given. Free software is presented by RTKPOST which is a part of RTKLIB. Commercial software used for experiments was Magnet Office Tools, GrafNav and Justin. The experiments have shown that accuracies of static processing results obtained using commercial software, free open source RTKLIB software and free of charge online processing service CSRS-PPP are comparable. The best processing results in PPP kinematic mode have been obtained using online service CSRS-PPP. Processing of trajectory data using RTKLIB in PPP kinematic mode has shown significant deviations from etalon trajectory, which is, apparently, connected with high frequency of GNSS measurements data in observation file. The detected deviation is up to 1.5 m while data logging frequency is 5 Hz. The conclusion has been made that free software and online services can be applied in practice for high accuracy positioning with certain limitations.
Key words: GNSS, GPS, post-processing, GNSS post-processing software, RTKLIB, Precise Point Positioning.
REFERENCES
1. El-Rabbany, Ah. (2002) Introduction to GPS. British Library Catalouging in Publication
Data.
2. Antonovich, K. M. (2006) Ispol'zovanie sputnikovyh radionavigacionnyh sistem v geodezii: T. 2 [Using satellite radio-navigation satellite systems in geodesy: Vol. 2]. Moscow: Cartgeocentr [in Russian].
3. Ocalan, T., Erdogan, B., & Tunalioglu, N. (2013) Analysis of web-based online services for GPS relative and precise point positioning techniques. Boletim de Ciencias Geodesicas, 19(2), 191-207.
4. Rapinski, J., & Cellmer, J. (2011) Tests of Selected Automatic Positioning Systems in Post-Processing Mode. Technical Sciences, 14(1), 45-56.
5. Bisnath, S., & Gao, Y. (2009). Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future. GPS World, 4, 43-50.
6. Chasagne, O. (2012). One-centimeter accuracy with PPP. Inside GNSS, 2, 49-54.
7. Jäger, R. (n. d.). GOCA - GNSS Control. Retrieved from http://goca.info/docs/flyer/ GNSSControl-Flyer_English.pdf.
8. Exploring ultra-low cost precision GPS with RTKLIB and Ublox receivers. (n. d.). Retrieved from https://rtklibexplorer.wordpress.com/.
Вестник CTyTUT, TOM 23, № 1, 2018
9. Reach High accuracy L1 RTK GNSS. (n. d.). Retrieved from http://emlid.com/reach/.
10. Shevchuk, S. O., Kosarev, N. S., & Antonovich, K. M. (2016). Comparison of the commercial software performance of GNSS kinematic measurement postprocessing for aerial geophysics geodetic support. VestnikSGUGiT[VestnikSSUGT], 3(35), 79-102 [in Russian].
11. Shevchuk, S. O., & Kosarev, N. S. (2016). Comparing results of GNSS kinematic postprocessing by commercial program products for geodetic support of aerial geophysical works. The first conclusions. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2016: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2016: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, Geoinformation, Cartography, Mine Surveying] (pp. 69-76). Novosibirsk: SSUGT Publ. [in Russian].
12. Precise Point Positioning. (n. d.). National Resources Canada - Earth Sciences. Retrieved from: https://webapp.geod.nrcan.gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php.
13. RTKLIB: An Open Source Program Package for GNSS Positioning. (n. d.). Retrieved from http://www.rtklib.com/.
14. GrafNav/GrafNet User Guide. (n. d.). Retrieved from http://www.novatel.com/assets/ Document/Downloads/NavNet780_Manual.pdf.
15. Justin User Guide. (n. d.). Retrieved from http://www.javadgnss.ru/doc/justin/Justin_ Software_Manual_RUS.pdf/
16. Magnet Tools User Guide. (n. d.). Retrieved from https://eu.sokkia.com/sitesdefault/ files/sc_files/downloads/magnet_field_v300_help_manual_en.pdf/
17. Nehin, S. S. (2015). Main problems of cartographic application conversion to coordinate system GSK 2011. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 2(30), 38-47 [in Russian].
18. Lipatnikov, L. A. (2016). Implementation of a geocentric terrestrial reference frame for the territory of Russia and bordering countries. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 3(35), 16-24 [in Russian].
19. Avrunev, E. I., & Parhomenko, I. V. (2016). Improvement of coordination control of state land surveillance. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 2(34), 150-157 [in Russian].
20. Lagutina, E. K. (2016). Testing methods of integration regional cors network and the russian state geodetic network. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 3(35), 35-40 [in Russian]
21. Mazurova, E. M., Antonovich, K. M., Lagutina, E. K., & Lipatnikov, L. A. (2014) Analysis of the Russian national reference network condition considering modern and prospective requirements. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 3(27), 84-89 [in Russian].
22. Shevchuk, S. O. Study of precise point positioning method for geodetic support for geological and geophysical works. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2012: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 2. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2012: International Scientific Conference: Vol. 2 Geodesy, Geoinformation, Cartography, Mine Surveying] (pp. 251-258). Novosibirsk: SSUGT Publ. [in Russian].
23. Prihoda, A. G., Lapko, A. P., Malcev, G. I., & Shevchuk, S. O. (2011). Navigation and geodetic maintenance of geologic and geophysical works with the use of global satellite systems GLONASS and GPS. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2011: T. 1 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2011: Vol. 1] (pp. 174-180). Novosibirsk: SSUGT Publ. [in Russian].
24. NGS Geodetic Toolkit. (n. d.). Retrieved from https://www.ngs.noaa.gov/TOOLS/.
25. Next Era SAR Toolbox. (n. d.). Retrieved from https://earth.esa.int/web/nest/home.
26. Open GIS 2015: Proceedings. (2015). Retrieved from http://gisconf.ru/materials.
27. Dubinin, M. Yu., & Rykov, D. A. (2009). Open desktop GIS: current situation overview. Informatsionnyi biulleten GIS-Assotsiatsii [Information Bulletin of GIS Association], 5(72), 20-27.
28. Land Information New Zealand. Download Geodetic Software. (n. d.). Retrieved from http://www.linz.govt.nz/data/geodetic-services/download-geodetic-software.
29. Land Information New Zealand on GitHub. (n. d.). Retrieved from https://github.com/linz
Received 16.10.2017
© S. O. Shevchuk, K. I. Malyutina, L. A. Lipatnikov, 2018
