julio 24 2018 0Comentar

¿Cómo beneficia Galileo al RTK de alta precisión?

Qué esperar con la constelación actual

Este artículo demuestra los beneficios de la integración de Galileo para la cinemática en tiempo real de alta precisión (RTK) a través de estudios de casos representativos, considerando la longitud de la línea de base, el impacto de múltiples trayectorias y el dosel arbóreo.

Los resultados confirman la usabilidad de la constelación Galileo actual en aplicaciones RTK de alta precisión y muestran una disponibilidad, precisión, confiabilidad y plazos de reparación mejorados en entornos de medición difíciles. Además, las posiciones RTK solo de Galileo se comparan con soluciones solo para GPS y GLONASS.

Por Xiaoguang Luo, Jun Chen y Bernhard Richter, Leica Geosystems AG

Hasta ahora, sobre la base de datos simulados y observados, los beneficios de Galileo (FIGURA 1) para RTK de alta precisión se han investigado en soluciones RTK de base única y RTK de red. Sobre la base de los resultados de estudios previos que frecuentemente emplearon análisis teóricos y simulación, presentamos los beneficios de Galileo para RTK de alta precisión basados ​​en observaciones reales de la constelación de satélites de capacidad operativa inicial (COI). Utilizando correcciones actualizadas en tiempo real, incluido Galileo, analizamos el rendimiento de la red RTK bajo diferentes condiciones de medición con respecto a disponibilidad, precisión, confiabilidad y tiempo de reparación.

Para lograr la máxima interoperabilidad con otras constelaciones GNSS, todas las señales de Galileo en la banda E1 y E5, es decir, E1, E5a, E5b y AltBOC (portador de desplazamiento binario alternativo), se utilizan para el posicionamiento en el último firmware patentado y receptores (ver la sección “Fabricantes” para más detalles).

La señal Galileo E1 se solapa con la señal GPS L1 a una frecuencia central de 1575,420 MHz, mientras que las señales Galileo E5a y GPS L5 se superponen a 1176,450 MHz. En lo que concierne a BeiDou, la frecuencia E5b de Galileo corresponde a la frecuencia B2 de BeiDou-2 a 1207.140 MHz.

La señal AltBOC también es compatible con el fin de beneficiarse de su rendimiento superior en la supresión de múltiples rutas. La disponibilidad de más de dos frecuencias es beneficiosa para el modelado ionosférico, que desempeña un papel importante en la resolución de ambigüedades sobre la marcha.

Además, RTK multifrecuencia proporciona más inmunidad a la interrupción temporal de señales GNSS causadas por interferencia o por efectos específicos del sitio como multitrayecto. Al formar combinaciones lineales, la incorporación de señales multifrecuencia mejora la flexibilidad y la solidez, donde las correlaciones matemáticas introducidas al incluir la misma señal en diferentes combinaciones lineales del mismo tipo deben manejarse adecuadamente en los algoritmos RTK.

Al habilitar el seguimiento de los satélites Galileo en el firmware mencionado anteriormente, las señales de Galileo se utilizarán por defecto en diferentes posiciones de posición RTK, incluida la posición de navegación, la posición del código diferencial con fase, la posición extendida RTK (xRTK) y la posición fija RTK. Cuando se compara con una solución RTK estándar, se proporciona una solución xRTK a un nivel de precisión ligeramente menor, pero con una mayor disponibilidad en entornos difíciles, como cañones urbanos y dosel denso.

En términos de formatos de datos de corrección RTK, Galileo está incluido en el formato RTCM v3 MSM estandarizado y en el formato propietario 4G. Para usar Galileo en la red RTK, los productos en tiempo real provistos por los servicios de corrección de red también deben incluir Galileo. En la última versión de un software de red GNSS propietario, Galileo se utiliza en el procesamiento de red para proporcionar correcciones RTK a través del método maestro-auxiliar individualizado (iMAX) y el método de estación de referencia virtual (VRS) en los formatos RTCM 3.2 MSM.

CARACTERÍSTICAS DE RENDIMIENTO RTK

Multi-constelación y multifrecuencia GNSS RTK es un proceso complejo en tiempo real, que tiene como objetivo proporcionar una precisión de posicionamiento de nivel de cm con la menor cantidad de datos posibles para la cinemática de usuario variable e incluso en entornos de medición difíciles. Por lo tanto, las características de rendimiento RTK deben seleccionarse cuidadosamente para poder evaluar el sistema como un todo y para abordar las preocupaciones de los usuarios en sus aplicaciones.

Los siguientes parámetros se utilizan en este artículo para evaluar los beneficios de Galileo para RTK de alta precisión:

  • Uso del satélite Número de satélites utilizados en soluciones fijas RTK con un ángulo de corte de elevación de 10 °;
  • Disponibilidad. Porcentaje de posiciones fijas de RTK en relación con todas las posiciones obtenidas durante un período de tiempo;
  • Exactitud. Desviación de las posiciones fijas RTK de la verdad del suelo con un mayor grado de precisión, donde la verdad sobre el terreno puede determinarse por medio de una estación total o mediante el procesamiento posterior de datos GNSS a largo plazo;
  • Confiabilidad. Porcentaje que el error de posición (con respecto a la verdad del terreno) es menor que 3 x indicador de calidad de coordenadas (CQ);
  • Tiempo para arreglar Tiempo necesario para recuperar una solución fija RTK después de perder la corrección de ambigüedad siempre que el seguimiento de la señal GNSS no se interrumpa.

ESTUDIO DE CASO OPEN-SKY

El estudio de caso a cielo abierto se realizó en el banco de pruebas Heerbrugg. Se conectaron dos receptores a una sola antena a través de un divisor de antena de cuatro vías. Un receptor recibió correcciones iMAX de cuatro sistemas en el formato RTCM v3 MSM sobre una base de referencia corta de 2 km, mientras que el otro recibió datos RTK del mismo tipo a lo largo de una línea de base larga de 116 km. Al considerar diferentes longitudes de referencia, el experimento a cielo abierto se centró en la usabilidad de la constelación actual de Galileo en GNSS RTK en condiciones normales. Se investigaron dos días de datos GNSS de 1 Hz con respecto al uso del satélite y la precisión de posicionamiento.

Usando diferentes combinaciones de GNSS para analizar los datos de línea base cortos – GPS + GLO (GG), GPS + GLO + BDS (GGB) y GPS + GLO + GAL + BDS (GGGB) – los números medios de los satélites usados ​​son 15, 17 y 20, respectivamente, donde el ángulo de corte de elevación se ajustó a 10 °. En promedio, tres satélites Galileo contribuyen a soluciones fijas RTK.

Para la combinación de cuatro sistemas GGGB, la Figura 2 muestra el uso del satélite para cada sistema individual durante el período de dos días. Se puede ver que para una línea de base corta de 2 km, se puede usar un máximo de cuatro satélites Galileo para posicionar. De hecho, durante el 80,3% de todo el período de prueba, el número de satélites Galileo utilizados en soluciones fijas RTK es igual o mayor que el número de satélites BeiDou utilizados.

Figura 2. Número de satélites utilizados en posiciones fijas RTK con GGGB bajo cielo abierto (iMAX, RTCM v3 MSM, longitud de referencia: 2 km, GGGB: GPS + GLO + GAL + BDS, DOY: día del año).

La Tabla 1 proporciona estadísticas sobre el uso del satélite Galileo en el caso de GGGB para diferentes longitudes de referencia. Como era de esperar, el número de satélites Galileo utilizados disminuye con una longitud de referencia creciente. En aproximadamente el 41% de los casos, se utilizan tres satélites Galileo en la prueba de línea base corta, mientras que dos satélites Galileo se utilizan en la prueba de referencia larga.

Además, la probabilidad de que no haya satélites Galileo involucrados en una solución combinada de cuatro sistemas crece significativamente del 1.9% al 15.0% a medida que la longitud de la línea base aumenta de 2 km a 116 km. La probabilidad de que solo se use un satélite Galileo a cielo abierto es relativamente pequeña, que asciende a alrededor del 0,5%. Esto es razonable ya que no se esperan beneficios para RTK de alta precisión en esta situación particular. Con respecto al caso base corto, hay un 97,7% de probabilidad de que al menos dos satélites Galileo se utilicen para el posicionamiento, mientras que esta probabilidad disminuye al 84,4% en el caso base largo.

Tabla 1. Probabilidad [%] de que los satélites Galileo se utilicen en posiciones fijas RTK con GGGB durante el período de dos días del experimento de cielo abierto (iMAX, RTCM v3 MSM, GGGB: GPS + GLO + GAL + BDS).
En términos de precisión de posicionamiento, la Figura 3 compara los errores tridimensionales del análisis de los datos de referencia largos con diferentes constelaciones GNSS. Con respecto a todo el período de dos días ilustrado en la Figura 3a, la integración de BeiDou (GG vs. GGB) y Galileo (GGB vs. GGGB) da como resultado una mayor repetibilidad de posición con errores más consistentes. Durante un período seleccionado de 12 horas, la Figura 3b resalta las ventajas de Galileo en la reducción de grandes errores 3D de 6-8 cm a 3-4 cm, donde se utilizan dos o tres satélites Galileo en el caso de GGGB

ESTUDIO DE CASO MULTIPLE

En este estudio de caso, se instaló una antena inteligente GNSS en un lugar con fuertes efectos multitrayecto, donde las señales GNSS fueron obstruidas y reflejadas por los edificios circundantes (Figura 4). Esta configuración de prueba simula el caso de uso en el que un usuario mide un punto cerca de un edificio con recepción de señal GNSS degradada, incluso en ángeles de gran altitud.

Figura 4. Configuración de prueba en un entorno de multitrayecto fuerte en Heerbrugg (móvil: GS16, altura de antena: 1.8 m) (a) Vista desde el sur, (b) Vista desde el norte.

Se aplicó el ángulo de corte de elevación predeterminado de 10 °. El receptor recibió correcciones de VRS de cuatro sistemas en el formato RTCM v3 MSM, donde la distancia a la estación de referencia física fue de aproximadamente 200 m. Se analizaron tres horas de datos GNSS de 1 Hz con respecto a la precisión, fiabilidad y tiempo para corregir.

La Figura 5 ilustra los errores 3D de multi-GNSS RTK con y sin Galileo (GGGB vs. GGB), junto con la cantidad de satélites usados. Con respecto a los períodos marcados con rectángulos discontinuos, la inclusión de dos o tres satélites Galileo (Figura 5b) conduce a mejoras significativas en la precisión de posicionamiento en el nivel de pocos cm a dm (Figura 5a). Al comparar la función de distribución acumulativa empírica (CDF) de los errores 3D, la probabilidad de que el error 3D esté dentro de los 5 cm aumenta del 70% al 85% si se utiliza Galileo, incluso con un número máximo de tres satélites.

Las tablas 2 y 3 proporcionan los errores de raíz media cuadrática (RMS) y la fiabilidad de las posiciones fijas RTK del experimento de trayectoria múltiple, respectivamente. Al utilizar Galileo en RTK de alta precisión, el error 3D RMS se reduce significativamente en un 56.3% en este estudio de caso, de 0.080 m (GGB) a 0.035 m (GGGB). Cuando se compara con los componentes horizontales, el error de altura RMS muestra una mejora relativa mayor del 58.7% debido a la integración de Galileo. La confiabilidad refleja la consistencia entre el error de posición real con respecto a la verdad del terreno y el indicador CQ estimado basado en modelos matemáticos en algoritmos RTK. Como se muestra en la Tabla 3, la confiabilidad 3D mejora en un 7.3%, del 88.2% (GGB) al 95.5% (GGGB), donde los aumentos para los componentes horizontales y la altura son comparables.

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