Вопросы и ответы о самом быстром в мире RTK-ровере с поддержкой технологии ГНСС: Leica GS18T

Доктор Сяогуан Луо (Dr. Xiaoguang Luo), Штефан Шауфлер (Stefan Schaufler) и Бернхард Рихтер (Bernhard Richter) обсуждают новые разработки, объединяющие технологии ГНСС и IMU. Новый RTK-ровер Leica GS18 T совмещает ГНСС и IMU для автоматической компенсации наклона вехи. Узнайте, как новое решение помогает повысить производительность, расширить спектр применения RTK-технологии и сократить влияние человеческого фактора.

Какие трудности характерны для съемки с использованием традиционных RTK-технологий?
Необходимость вертикального выравнивания вехи по пузырьковому уровню, а также уменьшение фазового центра по мере приближения к концу вехи (с учетом смещения фазового центра и длины вехи) приводит к целому ряду проблем для пользователя:

• Установка и выравнивание вехи требуют времени. Это особенно ощутимо при выносе в натуру, когда веху приходится устанавливать много раз.
• Если говорить о точности измерений, то довольно высок риск неправильной установки вехи из-за человеческого фактора и несовершенства оборудования, например неоткалиброванного уровня.
• Также порой невозможно установить веху вертикально на указанной точке — например, при измерении точек в углах зданий.

Каковы основные преимущества приемника Leica GS18 T для пользователя?
Вот некоторые преимущества нового ровера:

• не требует калибровки в поле;
• устойчив к воздействию магнитного поля;
• измерение возможно даже при значительном наклоне.
• Ориентирование при 3D-визуализации

Новый RTK-ровер Leica GS18 T совмещает ГНСС и IMU для автоматической компенсации наклона вехи с повышением производительности, расширяет возможность использования и уменьшает действие человеческого фактора. В целом взаимодействие с устройством становится значительно удобнее.

Рисунок 1. RTK-ровер с поддержкой ГНСС Leica GS18 T и полевой контроллер Leica CS20

Отвечает ли ровер Leica GS18 T постоянно возрастающим требованиям к срокам выполнения работ?
Определение «самый быстрый в мире RTK-ровер ГНСС» основано на трех аргументах. Компенсация наклона при помощи блока IMU и быстродействующая технология RTK. Данное сочетание обеспечивает высокую производительность (точность и надежность, особенно при топографической съемке) и качество измерений, сопоставимое с результатами измерений при вертикальном положении вехи. Благодаря компенсации наклона и отсутствию необходимости выравнивать веху производительность при съемке увеличивается в среднем на 20 % (в сравнении с работами, выполняемыми с помощью обычного RTK-приемника ГНСС). Кроме того, GS18 T использует данные ускорения и угловой скорости, получаемые от IMU, для определения положения вехи в реальном времени. Поскольку магнитное поле не влияет на IMU, приемник GS18 T устойчив к магнитным помехам и не требует трудоемкой калибровки. Он может эксплуатироваться без предварительной настройки и обеспечивает существенную экономию времени в сравнении с системами, использующими магнитометр.

Рисунок 2. Leica GS18 T — самый быстрый RTK-ровер с поддержкой ГНСС с функцией компенсации наклона на основе IMU

А что можно сказать об измерении труднодоступных точек, например углов зданий или точек, загороженных препятствиями?
Благодаря приемнику GS18 T эта проблема исчезла. Компенсация наклона на основе данных IMU позволяет измерять напрямую при помощи RTK-ровера даже точки, недоступные для ГНСС, в том числе при наклоне, превышающем 30°. Благодаря улучшенной технологии приема сигналов GS18 T отлично подходит для работ при частично перекрытой прямой видимости, например вблизи деревьев, под густой листвой и в уличных каньонах. Наличие блока инерциальных измерений IMU в приемнике GS18 T позволяет выполнять измерения при любом значении угла наклона. Возможность отслеживания сигналов с большого количества спутников повышает точность RTK-измерений. Проблема измерения при большом наклоне вехи осталась в прошлом. Приемник GS18 T позволяет выполнять измерение скрытых точек (например, скрытых углов или точек, частично перекрытых припаркованными автомобилями).

Повлияет ли эта особенность приемника на выполнение измерений в потенциально опасных условиях?
Определенно: пользователю больше не нужно следить за положением вехи, так что он может уделить больше внимания собственной безопасности. Таким образом, снижается уровень рисков, связанных с движением транспорта и работающим оборудованием. Кроме того, данные о местоположении прибора и автоматически обновляемая трехмерная визуализация окружающих объектов (в зависимости от расположения прибора) помогают пользователю ориентироваться на местности.

Рисунок 3. Измерение труднодоступных точек с помощью приемника Leica GS18 T. При обычной технологии RTK-съемки с вертикальным положением вехи измерение углов зданий или перекрытых препятствиями точек невозможно

То есть вам удалось успешно соединить два источника навигационных данных — спутниковых (ГНСС) и инерциальных (INS)?
Интеграция систем спутникового и инерциального позиционирования, давно используемая в аэрокосмической отрасли, стала доступна для геодезических задач. Ниже представлена схема интеграции двух технологий:

Рисунок 4. Упрощенная схема интеграции технологий ГНСС и INS в приемнике Leica GS18 T

Непрерывная сверка показаний ГНСС и INS обеспечивает высокую надежность и точность измерений при постоянных перемещениях вехи и даже при резких ударах. Отсутствие магнитометра в приемнике GS18 T делает его невосприимчивым к воздействию магнитного поля.

Вы проводили практические сравнительные испытания стандартного приемника и приемника с функцией компенсации наклона?
Для сравнительного испытания были выбраны приемник GS18 T и приемник А. Измерения выполнялись под открытым небом в условиях сильной многолучевости. В тесте с открытым небосводом (рис. 12) две известные точки P1 и P2, которые разнесены на 8 м, измерялись попеременно в мгновенном режиме измерений в течение 10 минут. При использовании приемника A веху необходимо было установить точно по вертикали перед выполнением мгновенного измерения, чего не требовалось для GS18 T благодаря компенсации наклона. Количество точек, измеренных в течение 10 минут, представляет собой простую характеристику производительности.

Рисунок 5. Сравнительное испытание GS18 T и приемника А (высота вехи: 1,8 м) под открытым небом — поочередное RTK-измерение двух точек в мгновенном режиме в течение 10 минут

Рисунок 6. Тест на RTK-позиционирование в условиях многолучевости (высота вехи: 1,8 м) (а) Обозначение измеряемой точки возле здания с металлическими фасадами (b) Компенсация наклона при RTK-измерении приемником Leica GS18 T

В таблице 1 представлены результаты испытания под открытым небом в отношении производительности и точности:

Таблица 1. Сравнение количества точек, измеренных за 10 минут, и распределения ошибок GS18 T и приемника А (испытания под открытым небом, длина вехи: 1,8 м, мгновенное измерение)

Благодаря отсутствию необходимости вертикальной установки вехи GS18 T значительно сокращает время, затрачиваемое на измерения: количество точек, измеренных за 10 минут, выросло на 33 % — с 57 до 76 штук. В случае с компенсацией наклона, несмотря на дополнительную ошибку определения ориентирования, среднеквадратическая 3D-ошибка всего на 3 мм больше по сравнению с приемником A и составляет 2,4 см, что вполне приемлемо для большинства топографических съемок.

В таблице 2 приведено сравнение показателей доступности, точности и надежности:

Таблица 2. Сравнение показателей доступности, точности и надежности фиксированного RTK-решения для GS18 T и приемника А в условиях сильной многолучевости среды (длина вехи: 1,8 м, мгновенное измерение)

При использовании GS18 T с компенсацией наклона доступность фиксированного RTK-решения увеличилась на 15 % по сравнению с обычным RTK-режимом при использовании приемника A. Точность позиционирования значительно возросла, в среднем на 50 % Показатель надежности — процентная вероятность того, что ошибка позиционирования менее чем в три раза превышает погрешность координат. Значение надежности для горизонтальных компонентов ошибки несколько выше (до 6 %). Не следует забывать, что подобная многолучевость является критическим случаем и выходит далеко за рамки стандартных технических требований к точности и надежности. К тому же приемник А не способен выполнять измерение точек, расположенных ближе 10 см к зданию, поскольку установка вехи в требуемом положении в этих точках невозможна.

Геодезисты постоянно сталкиваются с проведением измерительных работ в условиях локальных возмущений магнитного поля — вблизи автомобилей, линий электропередач, металлоконструкций. Возможно ли решение этой проблемы с новым приемником Leica GS18 T?
Ответ прост: помимо отсутствия необходимости в калибровке на месте выполнения работ важным преимуществом технологии компенсации наклона на основе данных IMU над системами с использованием магнитометра является невосприимчивость к воздействию магнитного поля. Мы сравнили эксплуатационные характеристики двух приемников под воздействием магнитного поля. При сравнении значений среднеквадратичной ошибки (см. табл. 5) можно сделать вывод, что точность позиционирования на плоскости у приемника GS18 T примерно на 2 см выше, чем у приемника B, в то время как значение ошибки определения расстояния примерно одинаковое:

Таблица 3. Сравнение среднеквадратичной ошибки GS18 T и приемника B при магнитных помехах (автостоянка, высота вехи: 1,8 м, однократное статическое измерение)

При сравнении значений среднеквадратичной ошибки (см. табл. 3) можно сделать вывод, что точность позиционирования на плоскости у приемника GS18 T примерно на 2 см выше, чем у приемника B, в то время как значение ошибки определения расстояния примерно одинаковое.

Как видно из рис. 7A, GS18 T обеспечивает более высокую точность и повторяемость результатов измерений на плоскости, чем приемник B. Кроме того, оценки качества позиционирования на плоскости согласуются с соответствующими погрешностями, что реалистично отражает точность позиционирования. Результаты для приемника B (см. рис. 7B) показывают, что при обнаружении магнитных помех показатели качества позиционирования значительно превышают значения погрешности. Это указывает на ненадежность решений с компенсацией наклона. В данной ситуации необходимо выполнить измерение повторно или переключиться на обычное RTK-позиционирование, что снижает производительность рабочего процесса. В некоторых ситуациях (например, при большом значении угла наклона) устройство со встроенным магнитометром не предупреждает о невозможности выполнения измерения с заданной точностью.

Рисунок 7. Сравнение значений среднеквадратичной ошибки позиционирования на плоскости и показателя качества измерения координат GS18 T и приемника B в условиях магнитных помех (автостоянка, высота вехи: 1,8 м, однократное статическое измерение)

Каким образом включение данных об ориентации в 3D-визуализацию упрощает работу пользователя?
Включив 3D-визуализацию, пользователь может легко ориентироваться на месте съемки и быстро перемещаться к целевым точкам, что повышает удобство и эффективность работы.

Рисунок 8. Пример привязки 3D-модели к сторонам света при выносе точек в натуру с использованием приемника Leica GS18 T (испытание под открытым небом, высота вехи: 1,8 м) (а) Навигационный вид, (b) Вид на запад, (с) Вид на юг, (d) Вид на восток

На рис. 8 показано, как информация о курсе упрощает вынос в натуру с помощью приемника GS18 T. Если выносимая в натуру точка находится на расстоянии более 0,5 м, на экране отображается окружность в направлении движения и изображение будет следовать за приемником сверху и сзади (рис. 17a). 3D-вид и инструкции по разбивке обновляются автоматически в соответствии с текущим местоположением и направлением датчика, которое в данном примере изменяется с западного через южное на восточное.

Как в целом можно описать преимущества GS18 T перед другими RTK-роверами?
С точки зрения пользователя, преимущества таковы: при использовании компенсации наклона мгновенное измерение по точности не уступает RTK-позиционированию и обеспечивает значительную экономию времени.

По сравнению с обычной RTK-технологией с использованием вертикальной вехи функция компенсации наклона повышает производительность приблизительно на 33 %, а также значительно улучшает точность и доступность позиционирования вблизи зданий.

На автостоянке с высоким уровнем магнитных возмущений прибор с компенсацией наклона на основе данных IMU обеспечивает более точное определение позиций и более реалистичное измерение координат по сравнению с приборами на базе магнитометра.

Компенсация наклона на основе данных IMU позволяет применять технологию RTK при больших углах наклона, более 30°, обеспечивая точность 3D-позиционирования в пределах 2 см.

Трехмерные модели объектов, привязанные к сторонам света, помогают пользователю лучше ориентироваться на местности, что также делает работу эффективнее и удобнее.

Полная информация о пространственном положении, сохраняемая при RTK-измерениях с компенсацией наклона, позволяет эффективно контролировать качество работ как самим пользователям, так и их клиентам.

Получить дополнительную информацию о приемнике Leica GS18 T можно по ссылке leica-geosystems.com/gs18t.

Подробная информации об отслеживании сигналов в высокопроизводительных ГНСС-системах, о проблемах RTK-измерений с компенсацией наклона и передовых технологиях отслеживания сигналов представлена в техническом отчете.