CC BY
481
УДК 528.06
СРАВНЕНИЕ БЕСПЛАТНОЙ ПРОГРАММЫ RTKLIB С КОММЕРЧЕСКИМ ПРОГРАММНЫМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ДЛЯ ПОСТОБРАБОТКИ ГНСС-ИЗМЕРЕНИЙ
Карина Ивановна Малютина
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (913)716-61-30, e-mail: malyutina.karina.ivanovna@yandex.ru
Станислав Олегович Шевчук
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, преподаватель кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (903)936-78-53, e-mail: staspp@211.ru
В статье приведены сравнительные испытания RTKLib и различных коммерческих программ для постобработки фазовых ГНСС-измерений относительным методом и методом PPP в статическом режиме. Использовались пункты в различных условиях приема спутниковых сигналов. Коммерческие программы представлены ПО Magnet Office Tools, GrafNav и Justin. Для сравнения результатов обработки методом PPP также использовался online-сервис CSRS-PPP. Приведены выводы и рекомендации.
Ключевые слова: ГНСС, GPS, постобработка, программы посторбарботки, grafnav, justin, magnet tools, rtklib, PPP.
COMPARING COMMERCIAL GNSS POSTPROCESSING SOFTWARE WITH RTKLIB
Karina I. Malyutina
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (913)716-61-30, e-mail: malyutina.karina.ivanovna@yandex.ru
Stanislav O. Shevchuk
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., lecturer of the Department of Geodesy and Remote Sensing, tel. (903)936-78-53, e-mail: staspp@211.ru
In the article free-ware RTKLib software for GNSS post-processing is compared with commercial software. The comparisons of the performance of different commercial and free software for GNSS Post Processing in relative and PPP kinematic and static modes are given for points in different signal receiving conditions. Commercial software used for experiments was Magnet Office Tools, GrafNav and Justin. Also CSRS-PPP online-service for PPP tests is used. Conclusions and recommendations are given.
Key words: GNSS, GPS, postprocessing, GNSS postprocessing software, software, grafnav, justin, magnet tools, rtklib, PPP.
В настоящее время решение широкого круга инженерных и исследовательских задач, требующих точного определения местоположения и времени, выполняется посредством применения ГНСС-технологий.
Получение координат и времени посредством аппаратуры ГНСС может осуществляться в масштабе 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 в прямом (Forward) и обратном (Reverse) направлении 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.
Также для пост-обработки ГНСС-измерений могут применяться online-сервисы глобального и локального территориального охвата, рис. 1.
Рис. 1. Классификация средств постобработки ГНСС-измерений
Коммерческое программное обеспечение, как правило, служит для обработки измерений приемников определенного производителя. Перекрестная совместимость с другой аппаратурой при этом реализуется посредством универсального формата ЯШЕХ. Функционал подобных программ обычно удовлетворяет требованиям обычного пользователя ГНСС, применяющего их для решения различных инженерных задач. Алгоритмы функционирования таких программ, как правило, скрыты от пользователя и защищаются законами об авторском праве [2].
Примерами коммерческих программ могут служить: Trimble Business Center (Trimble Navigations), Topcon/Magnet Tools (Topcon Inc.), WayPoint Graf-Nav (NovAtel Inc.), Leica Geo Office (Leica Geosystems), Pinnacle/Justin (Javad 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 (особенно, для неподготовленного пользователя) интерфейс, а их функционал позволяет решать ряд дополнительных научно-исследовательских задач.
Примерами научного ПО являются: Bernese (Астрономический университет Берна), GAMIT/GLOBK (Массачусетский институт технологий), GIBSY-OASIS II (Лаборатория реактивного движения Калифорнийского института технологий), GEONAP (Университет Ганновера) и др.
Некоммерческое программное обеспечение - относительно недавнее явление. Данные программы распространяются бесплатно, на основе свободных лицензий, их программный код как правило, открыт и может редактироваться пользователем. Функции таких программ чаще всего соответствуют коммерческому ПО или несколько проще. Финансирование разработки таких программ, чаще всего выполняется на основе грантов и сторонних инвестиций.
Примерами некоммерческих программ могут служить GPSToolkit (UNAVCO) и RTKLib (T. Tacasu).
Кроме того, обработка измерений может осуществляться посредством Online-сервисов, часть из которых выполняет обработку от сетей активных базовых станций (АБС) [2-4], что ограничивает территорию их функционирования, в то время как другие используют метод Precise Point Positioning (PPP) [3, 4] для обеспечения глобального покрытия с точностью на уровне 0.1 м [3-6]. Online-сервисы могут выполнять обработку как бесплатно (как правило), так и по определенному тарифу.
Примерами online-сервисов, имеющих мировой охват могут служить [3,4]: AUSPOS (Правительство Австралии), CSRS-PPP (Управление природными ресурсами Правительства Канады), APPS (Лаборатория реактивного движения Калифорнийского института технологий), magicGNSS (GMV) и другие.
Применение некоммерческих программ и бесплатных online-сервисов может заметно повысить экономическую эффективность геодезических работ (особенно, при жестких ограничениях в бюджете). Кроме того, такие программы могут использоваться в случае сбоев обработки в коммерческом ПО.
Для исследования была выбрана некоммерческая программа RTKLib (версия 2.4.2), в настоящее время широко используемая для различных научных исследований [7] и практических работ [8, 9].
Коммерческое ПО, взятое для сравнения, было выбрано на основе результатов сравнительных исследований, представленных в [10, 11].
Кроме того, в рамках данной статьи для сравнения обработки методом PPP была выполнена обработка измерений посредством OnПne-сервиса CSRS-PPP Управления природных ресурсов Канады [12].
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики исследуемого ПО и сервисов [12-16].
Таблица 1
Исследуемое ПО и его характеристики
Наименования характеристик Программное обеспечение Online-сервисы
Waypoint GrafNav 8.2 Magnet Office Tools Justin ЯТКЫЬ CSRS-PPP
Тип Коммерческое ПО Некоммерческое ПО Бесплатный PPP сервис
Разработчик NovAtel, Inc Topcon Position Systems, Inc Javad GNSS Т. ТаеаБи 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 только от ГЛОНАСС (без GPS) - + + - -
Ограничение базовой линии (для двухчастот-ных измерений), км Фикс. решение 30 не указанно не указанно не указанно -
Предельная величина 1500 не указанно не указанно не указанно -
Поддержка К и выше [NEX 2.11 + + + + +
Поддержка моделей геоидов (EGM08 и др.) + + + + Только CGVD
Возможность сетевого решения + + + - -
Решение методом Precise Point Positioning (PPP) + - - + +
Модель тропосферы по умолчанию (отн. метод) Saasta-moinen Goad and Goodman Justin Saasta-шотеп не указанно
В данной статье приводятся результаты экспериментов в статическом режиме. Дальнейшие исследования, включающие в себя обработку кинематических траекторий, будут приведены в последующих публикациях.
Исследования выполнялись в июне 2016 года на пунктах отраслевого геодезического полигона АО «СНИИГГиМС». Пункты располагаются в различных условиях приёма спутникового сигнала (открытая местность, граница леса, лесная местность), рис. 2, табл. 2.
Рис. 2. 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)
Такое расположение пунктов помогает исследовать адаптацию ГНСС-аппаратуры и алгоритмов ПО к сложным ландшафтным условиям, для которых характерно наличие препятствий на радиогоризонте, и, как следствие, много-путность и затухание спутниковых сигналов.
Таблица 2
Пункты, на которых выполнялись измерения в режиме статики
Наименование пункта Тип местности Расстояние от БС, км Инструктивная (СКП) аппа погрешность ратуры, м
в плане по высоте
«Спартак» открытая 12.7 0.01 0.02
064 полузакрытая 20.6 0.02 0.02
«Морской» закрытая 17.8 0.01 0.02
4976 закрытая 24.5 0.02 0.02
Измерения выполнялись двухчастотными мультисистемными (ГЛОНАСС/GPS) приемниками Leica Viva GS 10 с интервалом 1 секунда. Продолжительность сеансов измерений составляла 10, 30 и 60 минут.
Базовая станция располагалась на п. «Потанинский», находившемся на крыше лабораторного корпуса АО «СНИИГГиМС», рис. 3.
Рис. 3. Расположение базовой станции на пункте «Потанинский»
При наблюдениях на указанных пунктах контролировалось количество спутников и PDOP, табл. 3.
Обработка выполнялась относительным методом в ПО RTKLib, GrafNav, Magnet OT и Justin. Результаты сравнения полученных координат пунктов с их эталонными значениями для различной продолжительности измерений приведены в табл. 4.
Таблица 3
Условия приема спутниковых сигналов на пунктах измерения
и базовой станции
Наименование пункта, тип Продолжительность измерений, мин Количество спутников (среднее) Среднее значение PDOP
местности GPS ГЛОНАСС
п.«Спартак» 10 10 8 1.4
(открытая 30 9 8 1.4
местность) 60 10 7 1.4
064 10 9 6 1.9
(полузакрытая 30 9 7 1.9
местность) 60 10 8 2.0
п.«Морской» 10 9 6 2.4
(закрытая 30 9 6 2.8
местность) 60 - - -
4976 10 9 6 2.4
(закрытая 30 9 6 3.0
местность) 60 9 7 2.8
п. «Потанин-
ский» (базовая > 300 8-9 8-10 1.1 - 1.2
станция)
Таблица 4
Сравнение координат пунктов, полученных обработкой относительным методом в различном ПО, с эталонными значениями
Наименова- Продол- Абсолютная погрешность позиционирования, м
ние пункта, жи- GrafNav Magnet OT Justin RT]
тип местно- тельность в по вы- в по вы- в по вы- в по вы-
сти измерений, мин план е соте план е соте план е соте план е соте
п.«Спартак» 10 0.03 0.02 0.08 0.07 0.03 0.77 0.03 0.11
(открытая 30 0.03 0.01 0.06 0.06 0.04 0.06 0.04 0.10
местность) 60 0.03 0.01 0.03 0.00 0.03 0.09 0.02 0.08
п. 064 10 0.04 0.02 0.04 0.00 0.04 0.12 0.04 0.10
(граница ле- 30 0.03 0.06 0.19 0.16 0.04 0.13 0.04 0.08
са) 60 0.03 0.06 0.03 0.01 0.03 0.10 0.05 0.05
п.«Морской» (лиственный лес) 10 0.88 0.03 0.74 0.66 1.20 1.74 0.14 0.09
30 0.17 0.10 0.19 0.16 0.12 0.14 0.10 0.05
п. 4976 10 - - 0.71 1.50 0.11 0.04 0.12 0.46
(хвойный лес) 30 6.48 9.23 1.48 1.58 - - 1.17 1.59
60 23.72 43.94 1.29 2.36 - - 0.12 0.48
В табл. 4 зеленым цветом показаны фиксированные решения фазовой многозначности, желтым - плавающие, красным - решения по коду, серым -отсутствующие/грубые навигационные решения.
При этом в RTKLib в режиме объединения статических решений (Solution of Static Mode) в одну точку (Single) всегда указывалось фиксированное решение, а фактический тип решений был доступен только при выводе статики в виде трека (All).
На рис. 4 показаны масштабные схемы местоположения координат полученных пунктов в различном ПО относительным методом.
п. «Спартак» п. 064 п. «Морской» п. 4976
"хЭтапон фМадпе! ОбгаГМау ¿^бйп жткиь |
Рис. 4. Сравнение планового местоположения пунктов, полученных обработкой в различном ПО относительным методом
Таким образом, можно сделать вывод, что при позиционировании относительным методом, с помощью RTKLib могут быть получены решения того же уровня погрешностей, что и коммерческими программами: 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.
Отдельно производилась обработка методом PPP в ПО GrafNav и RTKLib. а также OnHne-сервисом CSRS-PPP. При сличении эталонных и полученных координат пунктов имел место систематический сдвиг, возникающий из-за различий в локальных и глобальных параметрах пересчета координат из WGS-84/ITRF2008 в СК-42. Итоги приведены в табл. 5.
При выполнении обработки, в каждой программе создавался проект, включающий в себя четыре наблюдаемых пункта с продолжительностью измерений 10, 30 и 60 минут. Для GrafNav, RTKLib и CSRS-PPP, однако, каждый сеанс измерений обрабатывался отдельно, так как отсутствовала возможность обрабатывать несколько мобильных станций в одном проекте. Это обстоятельство делало обработку более продолжительной, а также усложняло сортировку результатов.
Таблица 5
Сравнение координат пунктов, полученных обработкой методом РРР в различном ПО, с эталонными значениями
Наименование Продолжи- Абсолютная погрешность позиционирования, м
пункта, тип тельность, ОгаШау СЗЯБ-РРР ЯТК ШЬ
местности мин в по вы- в по вы- в по вы-
плане соте плане соте плане соте
п.«Потанинский»
(открытая мест- 360 0.17 0.25 0.18 0.23 0.16 0.27
ность)
п.«Спартак» (от- 10 0.20 0.12 0.08 0.13 0.35 0.25
крытая мест- 30 0.20 0.15 0.10 0.12 0.19 0.03
ность) 60 0.18 0.11 0.12 0.15 0.12 0.10
п. 064 10 0.15 0.05 0.14 0.09 0.67 0.94
(граница леса) 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» 10 0.04 0.11 0.93 1.26 0.93 3.14
(лиственный лес) 30 0.82 0.02 0.42 0.65 0.35 0.79
п. 4976 10 1.40 1.09 1.83 1.37 1.30 2.09
(хвойный лес) 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
В табл. 5 цвета ячеек не характеризуют качества решения многозначности. Оранжевым цветом выделены решения, для которых плановое местоположение отличается от эталонного более чем на 1 м.
ПО ОгаШау присваивало решениям категории качества 2 и 3, что соответствовало плавающим разрешением фазовой многозначности. Для ЯТКЫЬ решения РРР (если они успешны) выделены в отдельную категорию, не различающую плавающий или фиксированный тип решения многозначности.
На рис. 5 показаны масштабные схемы местоположения координат полученных пунктов в различном ПО методом РРР.
п. «Потанин- п. «Спартак» п. 064 п. «Морской» п 4976
♦ X
Т*
1_ 0.1 м _1
|х Эталон »СЗРЗ-РРР 06га(Мзу-РРР ЖтхиЬ-РРР |
Рис. 5. Сравнение планового местоположения пунктов, полученных обработкой в различном ПО методом РРР
Таким образом, можно констатировать, что в открытой местности и на границе леса, координаты пунктов, полученные RTKLib методом PPP, имели погрешности уровня 0.1 - 0.3 м, что соответствует точности CSRS-PPP и Graf-Nav. На границе леса и в закрытой местности, погрешность всех испытуемых программ возросла до 1-2 м в плане.
Погрешность определения высот методом PPP для коротких сеансов была в 2-3 раза выше, чем у CSRS-PPP и GrafNav, однако, практически выравнивалась с ними при обработке сеансов 60 минут.
В целом, можно констатировать, что PPP в RTKLib соответствовала другим испытуемым программам, однако для этого требовалась большая продолжительность измерений.
Важно отметить, что продолжительность измерений, имевшая место в данных экспериментах является недостаточной для полноценной реализации метода PPP. Кроме того, эталонные координаты были известны на эпоху 2006 года.
Выводы
Безусловно, на данном этапе RTKLib имеет ряд недостатков в сравнении с коммерческим ПО:
- сложный пользовательский интерфейс;
- невозможность обработки нескольких роверов в рамках одного проекта;
- отсутствие алгоритмов сетевого решения (используется не более одной базовой станции);
- отсутствие поддержки режима «Stop-and-Go».
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 L1+L2; работа в реальном времени в абсолютном, дифференциальном и RTK режимах; поддержка универсального формата RINEX и пр.) [13];
- поддержка большого количества сторонних форматов (посредством встроенной утилиты TEQC);
- возможность обработки методом PPP;
- фильтрация данных в прямом и/или обратном направлении;
- открытый программный код, подробно изложенные алгоритмы, возможность дополнения и усовершенствования;
- бесплатное распространение на основе свободной лицензии.
По результатам проведенного эксперимента установлено, что в режиме статики, решения, получаемые посредством некоммеческой программы RTKLib, имеют отличия от решений, получаемых коммерческими программами
относительным методом позиционирования, в пределах 1-2 см в плане и 4-6 см по высоте.
В залесенной местности программа показала себя более надежно, чем коммерческие аналоги. Это свойство может быть использовано, например, при геодезичечком обеспечении геолого-геофизических работ, зачастую проводимых в подобной местности [17, 18].
То есть, при постобработке ГНСС-измерений относительным методом, программа RTKLib показывает качество решений, сопоставимое с коммерческими программами (не смотря на отсутствие некоторых дополнительных возможностей).
Координаты и высоты, полученные методом PPP в RTKLib имели погрешности, соответсвующие погрешностям Online-сервиса CSRS-PPP и ПО GrafNav, если не брать в расчет короткие сеансы спутниковых наблюдений (менее 30 минут). Для открытой местности эти погрешности, как правило, не превышали первых дециметров, в лесу доходили до 1 - 2 м.
Весьма вероятно, что при дальнейших доработках, RTKLib сможет составить значительную конкуренцию коммерческому ПО для постобработки ГНСС-измерений. Уже на данном этапе развития программы, она могла бы применяться при решении инженерных и научных задач.
Важно отметить, что для более надежных и обоснованных выводов, эксперименты могут быть выполнены для большего количества пунктов и с более гибкими временными рамками.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. El-Rabbany, Ah. Introduction to GPS [Text] / Ah. El-Rabbany. - British Library Cata-louging in Publication Data. - 2002. - 176 p. - Англ.
2. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии в 2 т. Т. 2. Монография. - М. : Картгеоцентр, 2006. - 360 с.: ил.
3. Ocalan, T., Analysis of web-based online services for GPS relative and precise point positioning techniques [Text] / T. Ocalan, B. Erdogan, N. Tunalioglu // Boletim de ciencias geodesicas.- 2013. 19(2). - P. 191-207. - Англ.
4. Rapinski, J. Tests of Selected Automatic Positioning Systems in Post-Processing Mode [Text] / J. Rapinski, S. Cellmer // Technical Sciences.- 2011.- No. 14(1).- P. 45-56. - Англ.
5. Bisnath, S. Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future [Text] / S.Bisnath, Y.Gao - GPS World. - 2009. - No. 4. - P. 43-50. - Англ.
6. Chasagne, O. One-centimeter accuracy with PPP [Text] - Inside GNSS. - 2012.- No. 2. -P. 49-54. - Англ.
7. Jäger, R. GOCA - GNSS Control [Electronic resource] / R. Jäger. - Режим доступа: http://goca.info/docs/flyer/GNSSControl-Flyer_English.pdf - Англ.
8. Exploring ultra-low cost precision GPS with RTKLIB and Ublox receivers [Electronic resource] RtkLib Explorer - Режим доступа: https://rtklibexplorer.wordpress.com/ - Англ.
9. Reach [Electronic resource] / EMLID - Режим доступа: http://emlid.com/reach/ - Англ.
10. Шевчук С. О. Сравнение коммерческих программ постобработки измерений ГНСС в режиме кинематики для геодезического обеспечения аэрогеофизических работ / С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, К. М. Антонович // 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. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. -С. 69-76.
12. Precise Point Positioning [Electronic Resource] / National Resources Canada - Earth Sciences. - Режим доступа: https://webapp.geod.nrcan.gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php - Англ.
13. RTKLib [Electronic Resource] / RTKLIB: An Open Source Program Package for GNSS Positioning - Режим доступа: http://www.rtklib.com/ - Англ.
14. GrafNav/GrafNet User Guide [Electronic Resource] / NovAtel- Режим доступа: http://www.novatel.com/assets/Document/Downloads/NavNet780_Manual.pdf - Англ.
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. Справочное руководство. Серийный номер 1002090-01
17. Прихода А. Г. 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. 1. - С. 174-180.
18. 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. 3. - С. 251-258.
© К. И. Малютина, С. О. Шевчук, 2017
