Miért lassú vagy hibás az RTK inicializálás ?

Elméleti alapok

A GNSS vevők RTK üzemmódban a bázisvevőtől vagy hálózati szolgáltatótól (pl. FÖMI) érkező ún. RTCM szabványnak megfelelő korrekció segítségével érik el az 1-5 cm nagyságrendű pontosságot. A mérési módszer fázismérésen alapul. A mérés kezdetén a vivőjel műhold antenna és vevő antenna közti egész hullámainak száma ismeretlen. Ezt szakszóval ciklus-többértelműségnek nevezzük. A korrekció segítségével a GPS/GNSS vevők bizonyos idő alatt képesek feloldani ezt az ellentmondást. Ezt a folyamatot nevezzük inicializálásnak, amelynek eredménye az ún. RTK FIX minőségű pozíció.

Az inicializálás sebessége

Az inicializálás időtartama "normális" esetben 5-30 másodperc, egyes vevők esetében kevesebb mint 15 másodperc (megj.: a gyorsaság néha a megbízhatóság rovására megy). Az utóbbi 3-4 hónapban azonban megszaporodtak azok a felhasználói bejelentések, amelyek szerint gyakran a legfejlettebbnek tartott vevők esetében is percekig tart az inicializálás, vagy a FIX-nek jelzett minőség ellenére mégis pontatlan lesz a mérés (néha 20-30 cm hibával, máskor 2-3 méter hibával terhelten).

Az inicializálás időtartamát és megbízhatóságát az alábbi hat tényező befolyásolja leginkább

1. Többutas terjedés (multipath) és kitakarás mértéke
2. Kommunikációs csatorna (GPRS, URH) minősége
3. Glonass észlelés kezelésének fejlettsége
4. Ionoszféra aktivitás
5. Interferencia, jelzavarás
6. A GPS/GNSS vevő felhasználói beállításai

Vegyük sorra ezeket részletesebben.

1. Többutas terjedés (multipath) és kitakarás mértéke

Ha rádióhullámokat jól visszaverő felületek közelében dolgozunk (sima fal, nagy üveg-, fém- vagy vízfelület), akkor nem csak közvetlenül a műholdról, hanem a visszaverő felületről hosszabb utat megtevő jel is a vevőnk antennájába juthat. A korszerű vevők egyre jobb megoldásokkal küzdenek a multipath hatása ellen, azonban teljesen mégsem lehet ezt a jelenséget megszüntetni.

A magas épületek, fák, tornyok egyéb kimagasló terepalakulatok megakadályozzák a jelvételt az alacsonyabban található műholdakról. Ennek következtében romlik a geometriai viszony (a metszési szög kisebb lesz).

2. Kommunikációs csatorna (GPRS, URH) minősége

Ideális esetben a vevő 1-2 másodpercen belül megkapja az aktuális észleléshez szükséges korrekciós adatot. Az inicializálás végrehajtását követően a GPS/GNSS vevők akár több másodpercnyi korrekció kimaradás áthidalására is képesek úgy, hogy ennek nincs észrevehető hatása a mérés megbízhatóságára. Ha azonban több másodpec időtartamú jelkimaradás az inicializálás során következik be, akkor hatással lehet annak hatékonyságára. Gyakran elegendő a vevőt az árbóccal 1-2 méterrel magasabbra emelni annak érdekében, hogy a korrekciós jel kimaradásai megszűnjenek. Azok a GNSS vevők ilyenkor előnyösebbek, amelyek az árbóc tetején lévő egységben tartalmazzák a GPRS modemet és nem a derékmagasságban rögzített vezérlőegységben (mint pl. a Javad Triumph-1 vevő).

3. Glonass észlelés kezelésének fejlettsége

A Glonass észlelés elve különbözik a GPS észlelésétől. A jelentős eltérés abból adódik, hogy a GPS műholdak mindegyike azonos frekvencián sugározza üzenetét a Föld felé, míg a Glonass holdak mindegyike más-más frekvencián sugároz. Ennek következtében minden Glonass holdra vonatkozó észlelés más-más nagyságrendű hibával terhelt a vevőn belül megtett úthoz szükséges idő különbözősége miatt. Ez márkánkként is különböző. A téma túl bonyolult a részletes kifejtéshez, ezért ezzel egy különálló anyagban fogok foglalkozni a közeljövőben. Addig az angol nyelven értők erre a hivatkozásra kattintva olthatják tudásszomjukat.

4. Ionoszféra aktivitás

Napjainkban ez a legjelentősebb tényező, amely az inicializálás sikerességét befolyásolhatja. A 3-as ponthoz hasonlóan szintén megérne egy külön tanulmányt (angolul értőknek itt van, sőt magyarul is olvashat róla itt), de a probléma súlyossága és aktualitása miatt mégis itt és most foglalkozom vele részletesebben.

A Nap sugárzásának ionizáló hatására a légkör felső rétegeiben szabad elektronok keletkeznek. A Föld felszínétől 60 km-re kezdődő rétegben a szabad elektronok mennyisége már befolyásolja az elektromágneses hullámok terjedését. A Föld felszínétől 60 km és 800 km közötti sávban található ionizált réteget nevezzük ionoszférának.

A műholdakról érkező jelek haladását - így az azzal végzett távmérés eredményét - az ionoszféra ionizációjának mértéke (aktivitása) befolyásolja. Az ionoszféra aktivitása periódusosan változik. Három periódust tudunk megkülönböztetni.

• Napi periódus: minden nap 10-13 óra körül tetőzik az aktivitás
• Éves periódus: minden év téli hónapjaiban erősebb az aktivitás
• 11 éves periódus: a Nap 11 éves aktivitási ciklusával összefüggően 11 évenként nő az ionoszféra aktivitása

Jelenleg - 2011 márciusában - közeledünk a 11 éves ciklus következő csúcspontjához, 2013-hoz. A mögöttünk levő téli hónapok déli óráiban mindhárom periódus hatását együttesen érzékeltük, és a 11 éves periódus hatása sajnos a nyári hónapokban sem fog teljesen eltűnni. Ez 2013-ig csak erősödni fog.

Az ionoszféra aktivitásának hatása szintén olyan probléma, amelynek kezelésére tettek lépéseket a GPS/GNSS gyártók, azonban a tökéletes megoldás mégsem született meg ezidáig. A GNSSnet.hu szolgáltató által alkalmazott hálózati szoftver monitorozza az ionoszféra hatását és az RTCM1030 illetve RTCM1031 üzenetekben továbbítja is a maradékhiba értékét (lásd itt a "Légkör" szakasz alatt). Az azonban nem ismert, hogy a GNSS vevők tudják-e egyáltalán hasznosítani ezt az adatot, és ha hasznosítják, az vajon mit eredményez.

A GNSSnet.hu supportjától a következő információt kaptam: "Nem állítjuk, hogy a maradékhiba üzenetek használatával kiiktatható az ionoszféra hatása. Az mindössze csökkenti a hatást és segíthet a gyorsabb és megbízhatóbb inicializálásban. Ha nem használná a vevő, akkor minden bizonnyal lassabban inicializálna és esetenként hibás inicializálást is tapasztalnánk (ami persze így sincs kizárva). A lényeg, hogy ezek az üzenetek segítenek, de a hibaforrást megszüntetni nem lehet ezekkel sem.”

A Javad GNSS Inc.-től kapott tájékoztatás szerint a Triumph chippel szerelt vevők "értik" és felhasználják az RTCM1030 és 1031 maradékhiba üzemeteket.

Az ionoszféra aktivitás hatása körülbelül azonos jellegű probléma azzal, hogy lézertávmérővel nem lehet párás időben távolságot mérni. Jó hír azonban, hogy a frekvenciák illetve a vehető jelek számának növelésével jobban modellezhető és így eredményesebben kezelhető ez a hatás. A közeljövőben bevezetendő L2C és L5 frekvencia, továbbá a kicsit távolabbi jövőben beinduló Galileo rendszer segíteni fog az ezen jeleket is venni tudó GNSS RTK rovereknek a probléma leküzdésében. (A Javad Triumph-1 vevő alapárban tartalmazza az L2C és L5 vételi képességet, upgrade lehetőségként a Galileo képességet.) 

5. Interferencia, jelzavarás

Ma már néhány dollárért lehet kapni olyan készüléket, amely a GPS jelek frekvenciáján sugárzott jellel megakadályozhatja a GPS pozícionálást. Nem kell azonban feltétlenül erre számítani. Sok egyéb - felderíthető vagy felderíthetetlen - körülmény is okozhat jelzavarást a Föld felszínén. Egy felhasználónk pl. észrevette, hogy az építési területen lévő áramfejlesztő bekapcsolása után képtelen volt a vevő fix pozíciót képezni. Előfordulhat, hogy a jelzavarást nem látható objektum okozza. Spectrum analizátor segíthet annak kiderítésében, hogy ezzel a jelenséggel van-e dolgunk, vagy az, ha Javad Triumph-VS vevőt használunk. A Javad cég legújabb készüléke ugyanis képes kiszűrni a jelzavarást. Erről itt olvashat.

6. A GPS/GNSS vevő felhasználói beállításai

Problémát okozhat az, ha „az adott helyzetben megfelelő érték”-hez képest túl magasra vagy túl alacsonyra állította a felhasználó a magassági maszkot. Az, hogy mi az adott helyzetben megfelelő érték elég nehezen határozható meg. RTK észleléshez általában 10-15 fok közötti értékek megfelelőek, de lassú inicializálás esetén próbálkozhatunk 8 és 20 fok közötti értékekkel is.

Némely vevő esetében beállítható, hogy milyen megbízhatósági szintet várunk el a vevőtől. Részletméréshez elegendő a közepes vagy alacsony szint is, míg alapponthoz inkább a legmagasabb megbízhatóságot ajánlott beállítani. A beállítás módjáról és annak hatásáról az adott vevő kézikönyvében tájékozódhat.

A vevő márkájától és típusától függően egyéb beállítások is befolyásolhatják az inicializálás sebességét és eredményét.

Javaslatok, tanácsok

Láthatjuk tehát, hogy a fenti 6 körülmény közül akár 1 jelentkezése is elegendő az inicializálás lassulásához. Gyakran azonban nem egyesével állnak elő ezek a körülmények...

Talán kisebb a probléma, ha csak annyi történik, hogy nem inicializál a vevő a megszokott 5-15 másodpercen belül. Sokkal nagyobb a gond ha inicializál, de a FIX jelzés ellenére is hibás lesz a pozíció. Több méteres hibát viszonylag könnyű kiszűrni, de néhányszor 10 cm nagyságrendűt már nehezebb. Ezért fontos a megelőzés. Kérjük tartsa be a következő szabályokat annak érdekében, hogy elkerülje a hibás inicializálást.

A GNSSnet.hu-ra csatlakozást követően az első pont bemérése után azonnal végezzen újrainicializálást. Figyelje meg, hogy az újrainicializálás után keletkező koordináta ezen a ponton maradva megfelelő értéken belül azonos-e az első inicializálás után mért koordinátával. Az újrainicializálás legegyszerűbb módszere az, hogy antennával a föld felé fordítja a vevőt néhány másodpercre.

SOHA ne várjon 2-3 percnél hosszabb ideig fix pozícióra. Minél tovább tart az inicializálás, annál nagyobb a hibás fix megoldás esélye. Ha több mint 3 percig lebegő a minőség, akkor KÖTELEZŐ a következők valamelyikét elvégezni:

• lefordítani az antennát a föld felé, úgy tartani 10 mp-ig, majd visszafordítani, vagy
• a programban az újrainicializálást előidéző gombot megnyomni.

Ha a fenti megoldás kétszeri háromszori ismétlése sem vezet eredményre, akkor próbálkozzon a következőkkel.

• váltson másik Mount Pointra, azonban mindenképpen ajánlott VRS vagy MAC lehetőséget választani, ne az egybázisos RTK-t válassza
• ha a vevő észlel legalább 6-7 GPS holdat, akkor kapcsolja ki a Glonass vételt, vagy váltson Glonass nélküli Mount Pointra (ha Glonass nélkül dolgozott, akkor pont fordítva)
• módosítsa a kitakarási maszkot (ha magas volt lefelé, ha alacsony volt felfelé)

További jótanácsok:

Ha mobiltelefonján van GPRS előfizetés is, akkor a böngészővel  keresse fel a https://monitor.gnssnet.hu/ oldalt, amelyen megállapíthatja, hogy magas-e az ionoszféra maradékhiba vagy sem.

Számítson arra, hogy délelőtt 10 és délután 1 óra között magas lesz az ionoszféra aktivitás. Ebben az időszakban ne végezzen GNSS észlelést, ha nem feltétlenül szükséges. Ha mégis szükséges, akkor nagyobb körültekintéssel dolgozzon mint máskor. Végezzen folyamatosan ellenőrzéseket, vagy mérjen úgy, hogy könnyen ellenőrizhető, illetve hiba esetén gazdaságosan újramérhető legyen a ponthalmaz.

A legtöbb 2010-et követően gyártott vevő lombos fák közelében, vagy akár a lombkorona alatt is képes fix pozíciót adni (gyakran a középhibák is 2-3 cm alatt maradnak). Ez nagyon megtévesztő lehet. Ilyen környezetben sokkal magasabb a hibás inicializálás esélye, mint fáktól távol.

Amennyiben egy pontot újrainicializálást követően ismét meghatároz, és a két mérés között jelentős a térbeli eltérés, akkor a két meghatározás közül legalább az egyik biztosan hibás inicializálás eredménye. Ez esetben végezzen ismét újrainicializálást (antenna a föld felé), majd végezzen észlelést harmadszor is. Ha csak az egyik korábbi észlelés volt hibás, akkor a harmadik mérés eredménye a korábbi kettő közül valamelyikkel közel azonos lesz. Nagyok kicsi annak a valószínűsége, hogy kettő vagy több egymást követő inicializálás mindegyike ugyanazon a helyen hibás legyen. Ha mégis előfordul ilyesmi, akkor az valamilyen (többnyire nem látható) külső okra, pl. rádiózajt okozó föld alatti kábelre, vagy légköri interferenciára vezethető vissza. Ilyen helyszínen inkább ne mérjen GNSS vevővel, vagy a szokásosnál sokkal sűrűbben ellenőrizze a mérést.

A fenti leírás nagyrészt az itt elérhető forrás alapján, azt jelentősen kiegészítve készült.

Varga Zoltán, 2011. március 20.