Pytania i odpowiedzi na temat najszybszego na świecie odbiornika ruchomego GNSS: Leica GS18T

Dr Xiaoguang Luo, Stefan Schaufler i Bernhard Richter omawiają najnowsze osiągnięcia w dziedzinie syntezy odbiornika GNSS i inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU). Nowy odbiornik ruchomy Leica GS18 T łączy pomiary GNSS i IMU, aby automatycznie obliczyć odchylenie tyczki od pionu. Dowiedz się, jak może to zwiększyć produktywność, rozszerzyć zastosowanie pomiarów RTK i zmniejszyć ilość błędów ludzkich.

Jakie są obecne wyzwania związane z konwencjonalnymi pomiarami RTK?
Konieczność ręcznego spoziomowania tyczki za pomocą libelli pudełkowej i zredukowanie położenia centrum fazowego na końcu tyczki (biorąc pod uwagę przesunięcie środka fazowego anteny i długość tyczki) powoduje szereg wad dla użytkownika:

• Jeśli chodzi o produktywność, spoziomowanie tyczki wymaga czasu, szczególnie w przypadku tyczenia, co musi być powtarzane iteracyjnie.
• Jeśli chodzi o dokładność, na trzymanie tyczki w pionie wpływają błędy ludzkie i niedoskonałości instrumentalne, takie jak źle zrektyfikowana libella.
• Jeśli chodzi o zastosowanie, nie zawsze jest możliwe trzymanie tyczki pionowo na mierzonym punkcie, na przykład podczas pomiaru narożników budynku.

Jeśli chodzi o rozwiązywanie problemów użytkownika: jakie są główne zalety Leica GS18 T?
Nowy odbiornik ruchomy ma kilka zalet:

• Nie wymaga kalibracji w terenie
• Odporny na zakłócenia magnetyczne
• Umożliwia pracę przy dużych kątach wychylenia
• Wizualizacja 3D wspomagana kierunkiem

Nowy odbiornik ruchomy Leica GS18 T GNSS łączy pomiary GNSS i IMU w celu automatycznego obliczenia kąta odchylenia tyczki od pionu, co zwiększa produktywność, rozszerza możliwości zastosowania odbiornika i redukuje błędy ludzkie. Całkowicie poprawia ogólne wrażenia użytkownika podczas pomiarów.

Rysunek 1 - Odbiornik ruchomy Leica GS18 T GNSS z kontrolerem terenowym Leica CS20.

W jaki sposób odbiornik Leica GS18 T odpowiada na rosnące zapotrzebowanie na szybkie pomiary w terenie?
Definicja „najszybszego na świecie odbiornika GNSS RTK” opiera się na trzech filarach: Oparta na IMU technika kompensacji wychylenia w połączeniu z natychmiastowym pomiarem RTK. Zapewnia to najwyższą produktywność (dokładność i wiarygodność - szczególnie podczas pomiarów topograficznych) i zapewnia podobną dokładność jak pomiary wykonywane z ręcznym poziomowaniem tyczki. Dzięki kompensacji wychylenia nie ma potrzeby poziomowania tyczki, co zwiększa produktywność średnio o 20% w porównaniu z konwencjonalnymi pomiarowymi GNSS RTK. Ponadto GS18 T wykorzystuje szybkie przyspieszenia i prędkości kątowe z MEMS IMU do określania położenia tyczki w czasie rzeczywistym. Ponieważ pola magnetyczne nie mają wpływu na te pomiary IMU, GS18 T jest odporny na zakłócenia magnetyczne i nie wymaga czasochłonnych kalibracji w terenie. Działa po wyjęciu z pojemnika transportowego i jest szybszy niż systemy oparte na magnetometrach.

Rysunek 2 - Leica GS18 T jako najszybszy odbiornik ruchomy GNSS RTK z kompensacją wychylenia tyczki opartą na IMU.

Zawsze pojawia się kwestia dostępu do trudnych punktów - takich jak narożniki budynków i zasłonięte punkty?
W przypadku GS18 T nie jest to już traktowane jako wyzwanie. Dzięki kompensacji wychylenia opartej na IMU, cele, które wcześniej były niedostępne dla GNSS, można teraz bezpośrednio mierzyć za pomocą odbiornika, nawet przy dużych kątach wychylenia, powyżej 30 stopni. Dzięki zaletom zaawansowanego śledzenia sygnału, GS18 T jest szczególnie odpowiedni do pomiarów RTK, w których niebo jest częściowo zasłonięte, na przykład podczas pracy w pobliżu linii drzew, pod pokrywą liśćmi lub w miastach, wśród wysokich budynków. Dzięki zastosowaniu kompensacji wychylenia opartej na IMU, GS18 T nie ma ograniczeń co do maksymalnego kąta wychylenia, o ile śledzona jest wystarczająca liczba satelitów GNSS, aby zapewnić wysoce precyzyjne rozwiązania RTK. Duże kąty wychylenia to problem przeszłości. GS18 T może mierzyć punkty ukryte, na przykład narożniki budynków lub punkty częściowo zasłonięte przez zaparkowane samochody.

Czy miałoby to bezpośredni wpływ na aspekt bezpieczeństwa podczas pomiarów prowadzonych w potencjalnie niebezpiecznym środowisku pomiarowym?
Dokładnie - bez konieczności skupiania się na spoziomowaniu tyczki, użytkownik może zwrócić większą uwagę na własne bezpieczeństwo. Ryzyko związane z przejeżdżającymi pojazdami i maszynami budowlanymi jest znacznie ograniczone. Ponadto informacje o położeniu pomagają użytkownikom zorientować się w terenie, automatycznie aktualizując wizualizację 3D otoczenia (w zależności od orientacji odbiornika).

Rysunek 3 - Wykorzystanie Leica GS18 T do pomiaru narożników budynków i zasłoniętych punktów, których pomiar wcześniej nie był możliwy za pomocą konwencjonalnych pomiarów RTK z tyczką trzymaną pionowo.

Wygląda na to, że udało się zintegrować dwa źródła nawigacji, GNSS i INS?
Zintegrowane systemy nawigacji GNSS / INS, które od dawna istnieją w przemyśle lotniczym, są teraz dostępne w pomiarach geodezyjnych. To podsumowuje udaną integrację:

Rysunek 4 - Schematyczna i uproszczona ilustracja integracji GNSS / INS zaimplementowanej w Leica GS18 T.

Kontrole spójności między GNSS i INS są prowadzone ciągle, aby odbiornik posiadał solidny system, który może radzić sobie z ekstremalnymi ruchami tyczki, takimi jak silne wstrząsy. Ponieważ przy obliczaniu pozycji z kompensacją wychylenia nie są wykorzystywane żadne pomiary z użyciem magnetometru, GS18 T jest odporny na zakłócenia magnetyczne.

Podczas bezpośredniego porównania konwencjonalnego odbiornika RTK z odbiornikiem wyposażonym w kompensację wychylenia - czy przeprowadziłeś testy, aby zademonstrować praktyczne zalety?
Aby zademonstrować korzyści płynące ze stosowania kompensacji wychylenia, GS18 T został porównany z odbiornikiem ruchomym A pracującym przy pełnej widoczności satelitów i warunkach silnej wielodrożności. W teście otwartego nieba (rys. 12) dwa znane punkty P1 i P2, które są oddalone o 8 m, były zmierzone naprzemiennie w trybie natychmiastowym przez 10 minut. Używając odbiornika ruchomego A, przed wykonaniem pomiaru natychmiastowego, tyczka musi zostać dokładnie spoziomowana, co nie jest konieczne w przypadku GS18 T ze względu na kompensację wychylenia. Ilość punktów zmierzonych w ciągu 10 minut stanowi prosty wskaźnik produktywności.

Rysunek 5 - testowanie wydajności RTK podczas pomiarów przy otwartym niebie poprzez pomiar dwóch punktów na przemian w trybie natychmiastowym przez 10 minut (odbiornik ruchomy A vs GS18 T, długość tyczki: 1,800 m).

Rysunek 6 - Test pozycjonowania RTK w warunkach silnych wielodrożności (długość tyczki: 1,800 m) (a) Znacznik pomiarowy w pobliżu budynku wyposażonego w metalowe fasady, (b) Pomiar RTK z kompensacją wychylenia z użyciem Leica GS18 T.

W tabeli 1 podsumowano wyniki testu otwartego nieba pod względem produktywności i dokładności:

Tabela 1 - Porównanie ilości pomierzonych punktów w czasie 10 minut z błędami RMS pomiędzy pomiarami wykonanymi odbiornikiem GS18 T a odbiornikiem ruchomym A (otwarte niebo, długość tyczki: 1,800 m, pomiar natychmiastowy).

Bez konieczności poziomowania tyczki, GS18 T znacznie skraca czas pomiaru, a tym samym zwiększa ilość pomierzonych punktów o 33 procent, z 57 do 76 w ciągu 10 minut. W przypadku kompensacji wychylenia, pomimo dodatkowego błędu wynikającego z określenia położenia, błąd RMS 3D jest większy tylko o 3 mm w porównaniu do odbiornika A i wynosi 2,4 cm, co jest akceptowalne w przypadku większości pomiarów topograficznych.

W tabeli 2 podsumowano wyniki dotyczące dostępności, dokładności i wiarygodności:

Tabela 2 - Porównanie dostępności, dokładności i wiarygodności pozycji RTK fix między GS18 T, a odbiornikiem A w warunkach silnej wielodrożności (długość tyczki: 1,800 m, pomiar natychmiastowy).

Stosując GS18 T z kompensacją wychylenia, dostępność rozwiązań RTK fix wzrasta o 15% w porównaniu z konwencjonalnym pomiarem RTK wykonanym za pomocą odbiornika ruchomego A. Dokładność pozycjonowania znacznie się poprawiła, średnio o 50%. Wiarygodność podaje procent, w jakim błąd pozycji jest mniejszy niż trzykrotność CQ, który jest nieznacznie zwiększony do 6 procent w przypadku składowych poziomych. Należy również pamiętać, że tak silne wielodrożności są uważane za przypadek skrajny i znacznie wykraczają poza standardowe warunki związane z prowadzeniem dokładnych i wiarygodnych pomiarów. Dodatkowo, punkty znajdujące się bliżej niż 10 cm od budynku nie mogą być w ogóle mierzone przez odbiornik ruchomy A, gdyż w tym przypadku nie ma możliwości spoziomowania tyczki na punkcie docelowym.

Samochody, linie energetyczne i budynki ze stali konstrukcyjnej - każdy geodeta codziennie mierzy się z tymi i innymi lokalnymi zaburzeniami magnetycznymi. Czy nowy odbiornik Leica GS18 T oferuje rozwiązanie tego problemu?
Odpowiedź jest prosta: poza brakiem konieczności kalibracji w terenie, jedną z głównych zalet kompensacji wychylenia opartej na IMU w porównaniu z podejściem opartym na magnetometrze jest odporność na zakłócenia pola magnetycznego. Porównaliśmy dwa odbiorniki ruchome pod względem wpływu zakłóceń magnetycznych. Patrząc na błędy rms zestawione w tabeli 5, można stwierdzić, że dokładność 2D GS18 T jest o około 2 cm lepsza niż odbiornika ruchomego B, natomiast dokładność 1D jest na podobnym poziomie:

Tabela 3 - Porównanie błędów RMS między GS18 T, a odbiornikiem ruchomym B przy zaburzeniach magnetycznych (parking, długość tyczki: 1,800 m, pomiar statyczny 1 sek.).

Patrząc na błędy rms zestawione w tabeli 3, można stwierdzić, że dokładność 2D GS18 T jest o około 2 cm lepsza niż odbiornika ruchomego B, podczas gdy dokładność 1D jest na podobnym poziomie.

Porównując błędy 2D na rys. 7a, GS18 T zapewnia wyższą dokładność i spójność pomiarów niż odbiornik B. Ponadto oszacowania CQ 2D są zgodne z błędami 2D, odzwierciedlając dokładność pozycjonowania w realistyczny sposób. Jeśli chodzi o wyniki odbiornika ruchomego B na rys. 7b, wartości CQ 2D są znacznie większe niż błędy 2D w przypadku wykrycia zakłóceń magnetycznych, co wskazuje na niską wiarygodność pomiaru z kompensacją wychylenia. W takim przypadku użytkownik musi powtórzyć pomiar lub przejść do tradycyjnego trybu pomiaru RTK, co zmniejsza produktywność. W pewnych okolicznościach, na przykład podczas pomiaru punktów przy większych kątach wychylenia, użytkownik nie zostanie powiadomiony przez system oparty na magnetometrze, że nie można osiągnąć wyświetlanej dokładności.

Rysunek 7 - Porównanie błędów pozycji 2D i CQ między GS18 T a odbiornikiem ruchomym B w trakcie wpływu zaburzeń magnetycznych (parking, długość tyczki: 1,800 m, pomiar statyczny 1 sek.).

W jaki sposób dodanie wizualizacji 3D wspomaganej kierunkiem poprawia ogólne wrażenia użytkownika?
Włączając kierunek odbiornika do wizualizacji 3D, użytkownik może łatwo orientować się w środowisku pomiarowym i szybko przemieszczać się w kierunku punktów docelowych, poprawiając komfort użytkowania i produktywność.

Rysunek 8 - Przykład wizualizacji 3D wspomaganej kierunkiem podczas tyczenia punktów za pomocą Leica GS18 T (otwarte niebo, długość tyczki: 1,800 m) (a) Widok nawigacyjny, (b) Widok na zachód, (c) Widok na południe, (d) Widok na wschód.

Rys. 8 ilustruje, w jaki sposób informacje o kierunku pomagają podczas tyczenia punktów z użyciem GS18 T w widoku nawigacyjnym. Jeśli punkt tyczenia znajduje się dalej niż 0,5 m, widok przedstawia otoczenie wraz z kierunkiem ruchu i podąża za odbiornikiem z góry i z tyłu (Rys. 17a). Widok 3D i instrukcje tyczenia są aktualizowane automatycznie zgodnie z aktualną pozycją i kierunkiem odbiornika, który w tym przykładzie zmienia się z zachodu przez południe na wschód.

Jak możesz podsumować ogólne zalety GS18 T w porównaniu z innymi odbiornikami ruchomymi RTK?
Z punktu widzenia użytkownika: dzięki kompensacji wychylenia pomiar natychmiastowy zapewnia podobny poziom dokładności jak statyczny pomiar RTK, a także zapewnia korzystną oszczędność czasu.

W porównaniu do konwencjonalnego pomiaru RTK z pionową tyczką, pomiar RTK z kompensacją wychylenia znacznie zwiększa produktywność nawet o 33 procent i znacznie poprawia wydajność pozycjonowania w pobliżu budynku pod względem dostępności i dokładności pozycji.

Na parkingu z zaburzeniami magnetycznymi kompensacja wychylenia oparta na IMU zapewnia dokładniejsze pozycje i bardziej realistyczne CQ niż podejście oparte na magnetometrze.

Oparty na IMU system RTK z kompensacją wychylenia dobrze się sprawdza podczas pomiarów przy dużych kątach wychylenia powyżej 30 stopni, gdzie nadal można osiągnąć dokładność pozycjonowania 3D wynoszącą 2 cm.

Poprzez włączenie odbiornika do wizualizacji otoczenia 3D, użytkownik może łatwo orientować się w środowisku geodezyjnym, co poprawia produktywność i komfort użytkowania.

Informacje o położeniu punktów mierzonych z kompensacją wychylenia są w pełni identyfikowalne, co zapewnia dokładność pomiarów użytkownikom i ich klientom.

Aby dowiedzieć się więcej o Leica GS18 T, wejdź na stronę: leica-geosystems.com/gs18t

Pobierz opis techniczny, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat wysokowydajnego śledzenia sygnałów GNSS, wyzwań związanych z kompensacją wychylenia podczas pomiarów RTK i zaawansowanych technologii śledzenia sygnałów satelitarnych.