• 2022-03-07

GPS, GNSS, RTK, PPK – Helymeghatározási eljárások a légi fotogrammetriában

GPS, GNSS, RTK, PPK – Helymeghatározási eljárások a légi fotogrammetriában

GPS, GNSS, RTK, PPK – Helymeghatározási eljárások a légi fotogrammetriában 1024 576 SurveyTransfer

A térinformatikai adatok esetében (mint például egy fotogrammetriai térkép vagy modell) a felvételezést végző eszköz pozíciójának meghatározása kulcsfontosságú. A helyadatok pontossága és élessége a további kiértékelések esetében is rendkívül nagy befolyással bír. Például két modell közötti térfogatszámítás csak abban az esetben lehet sikeres, ha a modellek egymáshoz viszonyított helyzete megfelelő pontosságú, azaz jól vannak georeferálva. Mikről lesz szó? GPS, GNSS, RTK és PPK. A későbbiekben kiderül, hogy ezek nem csak random betűk, amiket én találtam ki. 🙂

Ebben az írásban részletesen kitérünk arra, hogy mit jelentenek ezek a helymeghatározási technológiák. Az írás végére Te magad is eldöntheted, hogy melyiket válaszd, hiszen minden technológia jellemzése során előnyöket és hátrányokat is felsorolok majd.

A számodra optimális és elérhető helymeghatározási technológiát is érdemes szem előtt tartanod, amikor térképezési célra vásárolsz egy drónt. Remélem ez az írás hasznodra válik az UAV kiválasztása során is. 🙂

GPS ÉS GNSS – VAN KÜLÖNBSÉG?

Rendkívül sokszor találkozom még szakmán belül is azzal, hogy a GPS és GNSS kifejezéseket keverik. Tegyük tisztába a dolgokat!

A GPS, azaz Global Positioning System valójában csak és kizárólag az USA, úgynevezett NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging) műholdjainak jelével határozza meg a helyzetünket.

A GNSS, azaz Global Navigation Satellite System az összes navigációs műholdcsalád összefoglaló neve, tehát több műholdat is láthat, mint a részhalmazt képező GPS. Jelenleg már kevés olyan GNSS vevő létezik, ami csak egy műholdcsalád jelét képes fogadni. A különféle helymeghatározó rendszereket a nagyobb pontosság elérése érdekében vegyesen használhatja fel. A legtöbb GNSS vevővel nem csak a már említett NAVSTAR műholdak jeleit foghatod, hanem ezen kívül az orosz GLONASS, a kínai BeiDou és az európai Galileo is elérhetővé válik. A GNSS vevők a horizontális illetve magassági koordinátákat a WGS84 geoidhoz képest szolgáltatják (globális referencia rendszer).

GNSS Helymeghatározási technikák

A mérések történhetnek abszolút és relatív helymeghatározással. Egyetlen vevőt használva a helymeghatározás eredménye a vevőantenna három koordinátájának pillanatnyi értéke, ezt a módszert abszolút helymeghatározásnak nevezzük. Ha két vevőt alkalmazunk, a helymeghatározás eredménye a két vevőantenna három-három koordinátájának különbsége. Ezzel két pont közötti távolság komponenseit tudjuk meghatározni. Az egyik vevő egy ismert referencia ponton üzemel (referenciaállomás), míg a másik vevő a meghatározandó ponton mér. Ebben az esetben a helymeghatározást relatívnak nevezzük.

A helymeghatározás kiértékelése történhet valós időbe (real-time) és utólagos feldolgozást (post processing) követően is. Valós idejű feldolgozáskor a mérések eredményeiből azonnal koordinátákat nyerhetünk ki, míg az utófeldolgozás esetében az adatgyűjtést követően történik az adatok együttes feldolgozása.

Annak függvényében, hogy a pozíció mérése közben a vevők mozognak-e, beszélhetünk statikus és kinematikus mérésről. Statikus mérés alatt mozdulatlan vevőkkel dolgozunk. A kinematikus mérés egy mozgó vevővel (rover) és egy referenciavevővel (bázis) megy végbe.

GNSS Helymeghatározási módszerek

A helymeghatározás lényegében távolságmeghatározás. A navigációs műholdak által sugárzott jel felhasználható időmérésre és fázisméréses távolságmeghatározásra is.

A helymeghatározó műholdak két jelet sugároznak: L1 és L2. Az L1 és L2 frekvenciát kétféle kóddal – P (precision) és C/A (coarse/acquisition – durva/elérés) – modulálják a nagyobb mérési pontosság érdekében. A kódmérésnek nevezett eljárásnak köszönhetően a jobb minőségű vevők mérési pontossága esetében megközelítőleg 3 méteres mérési zajra számíthatunk.

A fázismérés során a pontosság növekedése érhető el a kódméréssel összehasonlítva. Ebben az esetben a jelkiértékelés akár mm-es pontossággal végezhető el. A gyakorlatban, a fázismérésen alapuló módszerek rendszerint két vevőt alkalmaznak, tehát relatív helymeghatározás történik. Ebben az esetben utófeldolgozásról van szó, amikor az utófeldolgozó program a vivőfázis észlelések különbségeiből számolja a keresett koordináta különbségeket.

Megjegyzés: A vevő a műholdpozíciók alapján a WGS84 ellipszoidhoz képest határozza meg a magasságot. Ahhoz, hogy valós, tengerszint feletti magasságot kapjunk ismernünk kell az úgynevezett geoidundulációt. Ez a furcsa szó nem más, mint az ellipszoid és a geoid közötti távolság.

A mérést terhelő hibák

A geodéziában (és általában a méréstechnikában) a következő hibajelenségeket különböztetik meg:

  • Véletlen hibák vagy zaj – A zaj a valódi helyzet körül szóródást idéz elő, több mérés esetében a mérések átlaga javítja a pontosságot. Főként a véletlen kód ~1 méteres zajából és a vevő belső zajából tevődnek össze.
  • Szabályos vagy szisztematikus hibák – Minden mérést egy irányba torzítja, ezért a mérési szám növelésével az átlagban a torzítás értéke nem csökken. Idesorolandó a pályahiba, órahiba, ionoszféra hatása.
  • Durva hibák – A durva hiba a mérési pontosságot jelentősen meghaladja, szerencsére nem lép föl rendszeresen és a mérési szám növelésével az eredményekből kiszűrhető.

A valóságban nem egy-egy hibajelenség észlelhető, hanem ez a három hibaforrás kombinációja jön létre.

Alkalmazási területek

A GNSS vevőket gyakran a következő alkalmazási területek szerint csoportosítják:

  • Navigációs (kb. 15-20 m-es pontosság) – Jellemzően kódmérést hajtanak végre. Előnyük, hogy a méretük kicsi és az adatok rögtön rendelkezésre állnak. Irodai feldolgozást nem igényelnek.
  • Térinformatikai (szubméteres pontosság) – Ezek a vevők általában már fázismérésre is alkalmasak. Ezek szintén kézben tartható kompakt eszközök.
  • Geodéziai (cm-es pontosság) – Ezek a vevők fázisméréssel dolgoznak. Lehetnek egy vagy többfrekvenciásak. Egyes vevők csak egyetlen műholdrendszert képesek észlelni – bár mára ezek száma rendkívül csekély –, általában több műholdrendszerrel együttesen is tudnak működni. Stabil fáziscentrummal rendelkező geodéziai antennával vannak felszerelve.
  • Geodinamikai (mm-es pontosság) – Stabilabb fáziscentrummal rendelkező antennával, illetve nagyobb memóriával bíró GNSS vevők. Ezek hosszú időre telepített vevők, ezért gyakran napelemes külső áramforrással és valamilyen vezetékes vagy vezeték nélküli kommunikációs lehetőséggel vannak ellátva.

A differenciális helymeghatározás (DGPS)

A differenciális helymeghatározás segítségével a szabályos hibák hatásait csökkenthetjük kódméréssel. Differenciális helymeghatározás végezhető valós idejű adatfeldolgozással és utófeldolgozással is. Valós idejű mérésnél két vevőre, és a köztük kiépített adatátviteli (rádió) kapcsolatra van szükség. Ebben az esetben egy ismert ponton állítunk fel egy referenciaállomást, amely a mozgó vevővel egyidejűleg ugyanazokra a műholdakra végez kódmérést, tehát ez egy relatív helymeghatározási módszer. A referenciaállomás, a saját álláspontjának koordinátái és a műholdak navigációs üzeneteiből ki tudja számolni a műholdak tényleges távolságát. A távolságok különbségeit differenciális korrekcióként továbbítja a mozgó állomásra. A mozgó vevő a saját maga által észlelt távolságokat megjavítja a bázisállomástól kapott korrekciókkal, ezáltal a kódméréssel végzett helymeghatározást tovább tudják pontosítani.

Utófeldolgozás esetében nincs rádiókapcsolat a két vevőállomás között. A bázisállomás feladata a differenciális korrekció folyamatos számítása az idő függvényében és az adatok tárolása. A rover állomás mozgása során tárolja a koordinátáit és a számításaihoz felhasznált műholdak adatait. A mérést követően a két állomás által tárolt adatok összevethetők a mérési időpontoknak megfelelően, és a korrekció szoftveresen kiszámítható.

GNSS RTK

A valós idejű kinematikus (RTK = real-time kinematic) helymeghatározási eljárás során a DGPS-hez hasonló folyamat megy végbe, de itt már fázistávolságokat is mér a referenciaállomás.

Ha drónozásról van szó, akkor az RTK azt jelenti, hogy jelentősen növekszik a helymeghatározás pontossága és akár meg is szüntetheti a földi illesztőpontok (GCP) szükségességét. Az abszolút pontosság ebben az esetben centiméteres tartományra csökkenhet.

Az RTK – ahogy arra utaltam – egy relatív helymeghatározási módszer, tehát szükség van egy referenciaállomásra és egy rover egységre (ha légi felvételezésről van szó, akkor ez a drón). Ezen a ponton kettő lehetőséged van. Te magad rendelkezel egy bázisállomással és egy rover egységgel is. A másik megoldás, hogy csupán egy rovered van – és nincs saját bázisállomásod –, a referenciaállomást az országod területén üzemelő folyamatosan működő referenciaállomás (CORS = Continuously Operating Reference Station) biztosítja. A mérési eredményeket, valamint a bázisállomás koordinátáit valós idejű kommunikációs csatornán lehet eljuttatni a mozgó vevőhöz (rádió, GSM telefon, mobil internet).

Megjegyzés: Ha a CORS megoldás mellett döntesz, akkor győződj meg arról, hogy az országodban ki van építve referenciaállomás, mielőtt komoly összegeket elköltesz egy RTK vevővel ellátott drónra.

Ha hálózati RTK-t használnál, akkor fontos megemlíteni a virtuális referenciaállomások módszerét (VRS = Virtual Reference Station). Ennek lényege, hogy miután a mozgó vevő elküldi saját pozícióját, egy központi számítógép a közelben található referenciaállomások adatai és a modellezett hibahatások alapján előállít egy virtuális referenciaállomás adatsort. Ez az adatsor egy olyan fiktív mérési eredményt jelent, mintha a mozgó vevő közelében egy referenciaállomást létesítenénk.

Megjegyzés: A hálózati RTK a VRS-en kívül más eljárásokat is használhat, mint az FKP (Flächen-Korrektur-Parameter), MAC (Master Auxiliary Concept), PPP (Precise Point Positioning). Ezekre jelen cikkben nem térünk ki részletesen, de ha komolyabban elmerülnél a témában, akkor mindenképp nézz utána ezeknek is. 🙂

Az RTK előnye, hogy egy felvételezés végrehajtása után azonnal rendelkezésedre állnak a centiméteres pontosságú helyadatok. Az RTK nagy pontosságának köszönhetően egy drónos felmérés során elhagyható az időigényes GCP-k kihelyezése és bemérése.

Ugyanakkor, ez a rendszer igencsak drága lehet, ha saját bázisállomást akarsz venni. Ha csak az számít, hogy a rover rendelkezzen RTK vevővel és csatlakozol az országos referenciaállomásához, akkor mérlegeld, hogy előfordulhat, hogy elromlik egy hozzád közeli állomás az országos referenciarendszerben, így már csökken a pontosság (ez a hiba csökkenthető VRS-t használva). Az RTK technológiával nincs lehetőséged utólagos korrekcióra, ezért egy rossz helyadatokkal rendelkező felmérés végén az egyetlen megoldás, hogy újrafelvételezel.

GNSS PPK

A PPK (post-processed kinematic) lényege, hogy a rover egység egy GNSS PPK vevővel rendelkezik, amely adatokat gyűjt a műholdak és a bázisállomás segítségével és a felmérés utáni visszakeresés érdekében naplózza ezeket a helyadatokat. A GNSS RTK technológiával megegyezően, itt is szükség van egy bázisállomásra vagy a CORS hálózatra. A PPK-t használva, amikor végzel az adatgyűjtéssel, akkor a kényelmes irodából egy külön szoftver segítségével kinyerheted a naplózott helyadatokat, így utólagosan javíthatod a GNSS pontosságát fázisméréssel. A szoftveres korrekció után rendelkezésedre állnak a centiméteres pontosságú helyadatok.

A PPK előnye, a hálózati RTK-hoz képest, hogy nem szükséges, hogy minden egység között állandó legyen a kapcsolat. Mindezek mellett, nincs szükség mobilinternet forgalomra sem, ami sok helyszínen hatalmas előnyt jelenthet (pl. erdő- és bányafelmérés).

A PPK hátránya az RTK technológiával szemben, hogy nem azonnal nyerünk helyadatokat, hanem utólagos feldolgozást igényel, ami növeli a térképek vagy modellek elkészítésének idejét. Ezen kívül, egy utófeldolgozó szoftvert külön meg kell venni. Ettől nem kell megijedni, nem jelent nagy összeget. PPK utófeldolgozásra alkalmas szoftver például a REDtoolbox és a KlauPPK.

PPK VAGY RTK?

Jogosan merülhet fel benned a kérdés, hogy: mindezek alapján a GNSS korrekciós lehetőségek közül melyik az ajánlott?

A válasz nem annyira egyszerű, sőt inkább neked kell előbb tisztáznod pár kérdést:

  • Milyen területeken akarsz felméréseket végezni?
  • Milyen drónnal akarsz felvételezni és az milyen konstrukciókban (helymeghatározási technológiákkal) érhető el?
  • Mekkora összeget szánsz a drónra (vennél mellé bázisállomást vagy nem)?
  • Az adott drónt támogatják a PPK utófeldolgozó szoftverek?

Ennek a cikknek a helymeghatározási technológiák (GPS, GNSS, RTK, PPK) bemutatása volt a célja és nem pedig az, hogy eldöntse melyik technológiát érdemes használni, ezt mindig az adott körülmények határozzák meg.

Megjegyzés: Ha egy légi felmérés során nincs lehetőséged korrekciós szolgáltatásra és a drónod egy kevésbé pontos GNSS vevővel rendelkezik, akkor se aggódj! Erre találták ki a földi illesztőpontokat (GCP). A GCP-ket helyezd ki meghatározott sűrűséggel és kérj fel egy földmérőt, hogy mérje be a GCP-k középpontját. Ezután a modelledet a lehelyezett pontok segítségével tudod georeferálni, amikhez hozzárendelheted a nagy pontossággal bemért koordinátákat. Ha bővebben érdekel a GCP-k kihelyezése, mérése és felhasználása, akkor ezt a cikket olvasd el.

Ha mégis, végképp el akarod dönteni, hogy RTK vagy PPK, akkor ne hagyd ki ezt az összehasonlító cikket.

Tetszett, amit olvastál? Akarsz hasonlókat olvasni?

Ha ebben a cikkben is volt új és hasznos információ, akkor légy olyan kedves és töltsd ki ezt az 5 perces kérdőívet, hogy a SurveyTransfer minél inkább a Te igényeidre szabva lássa meg a napvilágot!

Ha nagyon-nagyon tetszett, amit olvastál, akkor meg is oszthatod az ismerőseiddel. Ne fogd vissza magad! 🙂

SurveyTransfer uses cookies to enhance the user experience, which you acknowledge when using the website.
Read more