GEOMATICS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING • Volume 1 • Number 3 • 2007

Andrzej UznaÚski

Transmisja danych w pomiarach RTK GPS Systemem GPS 500** 1. Wst¿p W pomiarach kinematycznych w czasie rzeczywistym (RTK GPS) warunkiem niezb¿dnym wyznaczenia dokÙadnych wspóÙrz¿dnych punktu jest transmisja danych. MoČe si¿ ona odbywa° mi¿dzy stacjami referencyjnymi, mi¿dzy stacj­ referencyjn­ i odbiornikiem ruchomym oraz mi¿dzy odbiornikiem GPS, niezaleČnie od roli, jak­ speÙnia w pomiarze (odbiornik referencyjny lub ruchomy), a urz­dzeniem zewn¿trznym. Dane GNSS (Global Navigation Satellite System) mog­ by° transmitowane bezprzewodowo lub za poïrednictwem przewodów Ù­cz­cych komunikuj­ce si¿ urz­dzenia. Ze wzgl¿du na ĊródÙo pochodzenia transmitowane dane moČna podzieli° na dane ze stacji referencyjnej (obserwacje satelitarne lub ich korekcje) oraz dane z innych urz­dzeÚ wspomagaj­cych wyznaczanie pozycji punktów, które s­ np. niedost¿pne dla anteny GPS. Przedstawione zostan­ zagadnienia dotycz­ce transmisji danych ze stacji referencyjnej, które s­ konieczne do wyznaczenia pozycji w pomiarze RTK GPS oraz transmisji danych z dalmierza laserowego, wspomagaj­cego wyznaczanie pozycji przez odbiornik GPS. SzczegóÙy prezentowanych rozwi­zaÚ b¿d­ dotyczyÙy odbiornika SR530 firmy Leica. JednakČe w ogólnoïci b¿d­ one istotne niezaleČnie od producenta sprz¿tu GPS.

2. ProtokoÙy transmisji danych RTK z odbiorników GPS ProtokoÙy transmisji danych GNSS w czasie rzeczywistym moČna podzieli° na protokoÙy odbiorników satelitarnych i protokoÙy internetowe (Ntrip, RTIGS). W przypadku odbiorników GPS wykorzystany moČe by° protokóÙ RTCM (Radio * **

WydziaÙ Geodezji Górniczej i InČynierii grodowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Praca wykonana w ramach badaÚ statutowych, umowa nr 11.11.150.312

173

174

A. UznaÚski

Technical Commission for Maritime Services) dost¿pny w kaČdym odbiorniku satelitarnym oraz protokoÙy specyficzne dla danego producenta, które czasem s­ takČe implementowane u innych producentów. Formaty transmisji danych tworzone przez producentów odbiorników GPS s­ zazwyczaj binarne. W odbiorniku GPS SR530 oprócz róČnych wersji i wariantów formatu RTCM dost¿pne s­ takČe formaty LB2 (Leica Binary 2 – Leica) oraz CMR, CMR+ (Compact Measurement Record – Trimble). Inni producenci stosuj­ formaty: MBEN/PBEN, DBEN (Ashtech), ConanBinary, TurboBinary (AOA), JPS (Javad), TPS (Topcon), SOC (JPL). Niektórzy producenci stosuj­ róČne formaty w zaleČnoïci od typu odbiornika i jego przeznaczenia (Trimble: RT17, TSIP). W przypadku formatu RTCM istnieje kilka wersji, które s­ nadal wykorzystywane w PDGPS: – – – –

v. 2.0 z 1990 r. m.in. z wiadomoïciami 1, 2, 3 dla DGPS; v. 2.1 z 1993 r. poszerzona o wiadomoïci 18–21 dla PDGPS; v. 2.2 z 1998 r. rozszerzenie standardu dla satelitów GLONASS; v. 2.3 z 2001 r. z wiadomoïciami 23 (definicja typu anteny) i 24 (def. Antenna Reference Point); – v. 3.0 z duČymi zmianami dla zastosowaÚ Network RTK.

Z porównania szerokoïci pasm transmisji danych wynika, Če w obecnie najefektywniejszym rozwi­zaniem jest protokóÙ RTCM w wersji 3.0 (129 b/s dla rozszerzonej wiadomoïci 1004). Dla porównania, w protokole RTCM v. 2.3 z wiadomoïciami 18 i 19 szerokoï° pasma wynosi aČ 354 b/s. W przypadku protokoÙu Trimble CMR+ jest to 134 b/s, a protokoÙu Leica LB2 – 193 b/s [4]. Istnieje teČ kilka odmian formatu RTCM [1]: RTCM++ (zawiera definicj¿ wiadomoïci 59 dla parametrów FKP [x1]), RTCM AdV (ArbeitsgemeinschaĞ der Vermessungsverwaltungen der Bundesrepublik Deutschald dla niemieckiej sieci SAPOS), RTCM AdV FKP, RTCM – RSIM (Reference Station Integrity Monitoring, RASANT (RTCM v. 2.0 z wykorzystaniem Radio Data System).

3. Dane transmitowane w pomiarach RTK Podstawowe dane transmitowane ze stacji referencyjnej i umoČliwiaj­ce ruchomemu odbiornikowi GPS precyzyjne wyznaczenie pozycji, mog­ zawiera° obserwacje w ich oryginalnej postaci wygenerowanej przez odbiornik na stacji referencyjnej, obserwacje wyznaczone dla wirtualnej stacji referencyjnej lub korekcje do obserwacji odbiornika ruchomego. Ponadto w przypadku Single RTK [5] zawsze transmitowane s­ wspóÙrz¿dne punktu referencyjnego. Sposób obliczenia korekcji do obserwacji ruchomego odbiornika GPS b¿dzie zaleČaÙ od zastosowanej metody wyznaczenia pozycji punktu (Single-Reference RTK i Multi-Reference RTK lub

Transmisja danych w pomiarach RTK GPS Systemem GPS 500

175

Network RTK [5]). Wartoïci korekcji w ogólnodost¿pnym formacie RTCM definiuj­ zaleČnoïci [2]: corrΦ = ( r − bSV ⋅ c + bbase ⋅ c ) / λ − φ − A

(wiadomoï° 20)

(1)

corrρ = r − bSV ⋅ c + bbase ⋅ c − ρ

(wiadomoï° 21)

(2)

gdzie:

r – odlegÙoï° mi¿dzy stacj­ referencyjn­ i satelit­, obliczona z wykorzystaniem wspóÙrz¿dnych stacji, bSV, bbase – odpowiednio oěset zegara satelity i estymowany oěset zegara odbiornika referencyjnego, c, O – odpowiednio pr¿dkoï° ïwiatÙa i dÙugoï° fali noïnej L1 lub L2,  IU – odpowiednio faza fali noïnej i pseudoodlegÙoï°, A – wartoï° parametru niejednoznacznoïci przyj¿ta tak, aby wartoïci korekcji byÙy maÙe.

W przypadku Network RTK i wykorzystywania parametrów FKP wzory definiuj­ce korekcje zostaÙy przedstawione w [5]. PoniČej wymieniono zalety transmisji ze stacji referencyjnej tylko korekcji: – transmitowanych jest mniej bitów danych; – wartoïci korekcji nie s­ tak bardzo zmienne w czasie jak oryginalne obserwacje; – metoda moČe by° bardziej efektywna, gdyČ cz¿ï° obliczeÚ zostaje wykonana przez odbiornik referencyjny odci­Čaj­c odbiornik ruchomy; – wspóÙrz¿dne stacji referencyjnej nie s­ wykorzystywane w obliczeniu pozycji odbiornika ruchomego, a ich dokÙadnoï° z wiadomoïci 3 formatu RTCM wynosi tylko 1 cm. Zasadnicz­ wad­ transmisji danych tylko w postaci korekcji do obserwacji odbiornika ruchomego s­ duČe bÙ¿dy wynikaj­ce z moČliwoïci uČycia róČnych efemeryd przez obydwa odbiorniki w momencie uaktualniania efemeryd.

4. Szeregowa transmisja asynchroniczna Oprócz ustalenia wspólnego dla komunikuj­cych si¿ urz­dzeÚ formatu danych musz­ zosta° uzgodnione parametry transmisji tych danych. W odbiornikach GPS aktualnie nadal najcz¿stszym sposobem komunikowania si¿ z urz­dzeniami zewn¿trznymi jest asynchroniczna transmisja szeregowa wg standardu RS232C w trybie póÙdupleksowym [6]. W odbiorniku SR530 do transmisji danych przewidziano trzy porty. Jeden z nich posiada pi¿° pinów i w zwi­zku z tym tylko dwie linie danych (T × D, R × D), a pozostaÙe dwa porty posiadaj­ dodatkowo po dwie linie steruj­ce (CTS, RTS).

176

A. UznaÚski

MoČna wybra° takČe wersj¿ odbiornika SR530 z dodatkowym portem PPS oraz dwoma portami Event. Port pi¿ciopinowy umoČliwia podÙ­czenie do odbiornika GPS dalmierza laserowego, który nie wymaga linii sygnaÙowych CTS\RTS, a porty oïmiopinowe sÙuČ­ do transmisji danych ze stacji referencyjnych za poïrednictwem modemów zewn¿trznych lub telefonów komórkowych. Pierwszym standardowo stosowanym rozwi­zaniem do transmisji danych w pomiarach RTK GPS byÙ modem radiowy. Do odbiornika SR530 moČna podÙ­czy° równoczeïnie dwa radiomodemy. Producent stworzyÙ gotowe konfiguracje najbardziej powszechnych w uČyciu modemów radiowych, dalmierzy laserowych i wybranych modeli telefonów komórkowych kilku producentów, które s­ dost¿pne w menu odbiornika GPS pod nazw­ danego urz­dzenia. Konfiguracja odbiornika GPS do nadawania lub odbioru danych przez port szeregowy wymaga ustalenia wspólnych i takich samych parametrów transmisji danych we wszystkich maj­cych ze sob­ wspóÙpracowa° urz­dzeniach dotycz­cych:  pr¿dkoïci transmisji danych [bity/s] (Baud Rate: od 300 do teoretycznie 115200), – wyboru kontroli parzystoïci (Parity: None\ Odd\ Even), – liczby bitów danych (Data Bits: 7 \ 8), – liczby bitów stopu (Stop Bits: 1 \ 2), – sterowania transmisj­ danych (Flow control: None \ CTS/RTS), Konfiguracj¿ modemu oraz telefonu komórkowego przeprowadza si¿ na ekranie Configure\Real-Time. Wykorzystanie dalmierza laserowego wymaga wÙ­czenia opcji na ekranie Configure\Hidden Point. Oprócz parametrów transmisji danych naleČy takČe zdefiniowa° oěset dla mierzonej odlegÙoïci wynikaj­cy ze sposobu zamocowania dalmierza na tyczce anteny GPS oraz sposobu pomiaru odlegÙoïci (front, tyÙ) i ewentualnie oěsetu wysokoïci przez podanie wysokoïci instrumentu lub instrumentu i celu. Istnieje takČe moČliwoï° wprowadzenia oěsetu dla pomiaru k­ta.

5. Konfiguracja telefonu komórkowego Konfiguracja telefonu komórkowego w odbiorniku GPS jako urz­dzenia do transmisji danych wymaga uČycia komend AT [6]. W odbiorniku SR530 gotowe zestawy komend AT s­ przygotowane przez producenta dla wybranych modeli telefonów Siemens, Wavecom, Bosch, Sagem. W pozostaÙych telefonach uČytkownik musi sam przygotowa° konfiguracj¿ do transmisji danych lub wypróbowa° ustawienia domyïlne. NaleČy podkreïli°, Če komendy AT nie maj­ ïciïle okreïlonego standardu i mog­ si¿ bardzo róČni°. Konfiguracj¿ telefonu komórkowego na przykÙadzie konfiguracji domyïlnej przedstawia rysunek 1.

Transmisja danych w pomiarach RTK GPS Systemem GPS 500

177

a) b)

Rys. 1. Konfiguracja telefonu GSM: a) parametry, b) poÙ­czenie

Konfiguracja telefonu komórkowego w odbiorniku GPS wymaga ustawienia: parametrów portu zgodnie z punktem poprzednim, z wartoïci­ opcji Flow Control wynosz­c­ RTS/CTS, parametrów GSM dotycz­cych komend AT (rys. 1a), parametrów poÙ­czenia (rys. 1b) oraz wpisania kodów PIN i PUK. Sekwencje inicjalizuj­ce róČni­ si¿ istotnie nawet w róČnych modelach tego samego producenta. Komend AT jest bardzo duČo. Znaczenie wybranych komend AT (wszystkich z konfiguracji domyïlnej) zawiera tabela 1.

Tabela 1. Komendy AT domyïlnej konfiguracji telefonu komórkowego AT

Opis

&F

Wstawienie wszystkich aktualnych parametrów do profilu zdefiniowanego przez producenta

E0

„Echo mode” wyÙ­czony

Q0V1

Modem odpowiada, uČywaj­c odpowiedzi tekstowych, a nie numerycznych

X4

Wykrywanie wybierania tonowego i kontrola zaj¿toïci poÙ­czenia

S0=1

Wprowadzenie modemu w tryb odbierania poÙ­czeÚ po pierwszym dzwonku

^M

Wstawienie znaku i wysÙanie komendy

+CMEE=0

ZgÙaszanie wszystkich rodzajów bÙ¿dów sprz¿tu wyÙ­cznie przez wyïwietlenie komunikatu ERROR

&W0

Zapisanie aktualnych ustawieÚ w 0 profilu uČytkownika

D

Wybranie numeru wg domyïlnego sposobu wybierania

^#

Wstawienie numeru telefonu zdefiniowanego w parametrach poÙ­czenia (rys. 1b)

^H

ZakoÚczenie poÙ­czenia

~

Wstawienie opóĊnienia ¼ sekundy

+++

Anulowanie przepÙywu danych przez interfejs AT i przejïcie w tryb komend bez przerywania poÙ­czenia, polecenie jest zazwyczaj ignorowane, jeïli nie jest poprzedzone dÙuČsz­ przerw­

178

A. UznaÚski

Parametry poÙ­czenia oprócz okreïlenia nazwy odbiornika GPS, podania numeru telefonu obejmuj­ wybór protokoÙu GSM, sposób akceptowania stacji referencyjnej, szybkoï° transmisji danych w sieci GSM oraz parametr dla Radio Link Protocol (RLP). W przypadku protokoÙu GSM do wyboru mamy analogowy lub dwie wersje protokoÙu ISDN (Integrated Services Digital Network v. 110 i v. 120). ISDN to sie° cyfrowa z integracj­ usÙug udost¿pnianych bezpoïrednio oddalonym urz­dzeniom bez poïrednictwa urz­dzeÚ analogowych. Podstawow­ zalet­ sieci ISDN jest moČliwoï° ci­gÙego poszerzania zakresu oferowanych usÙug, które moČna podzieli° na usÙugi przenoszenia (bearer service), które s­ wykorzystywane w konfiguracji telefonu komórkowego i teleusÙugi (teleservices). UsÙugi przenoszenia obejmuj­ jedynie transmisj¿ sygnaÙów cyfrowych mi¿dzy terminalami uČytkowników. TeleusÙugi zapewniaj­ takČe sterowanie urz­dzeniami koÚcowymi. Opcja ConnElement (rys. 1b) umoČliwia skorzystanie (non-transparent) lub rezygnacj¿ (transparent) z wykorzystania RLP. ProtokóÙ RLP jest stosowany w celu zwi¿kszenia niezawodnoïci poÙ­czeÚ radiowych.

6. Konfiguracja aplikacji mobileNtrip Transmisja danych ze stacji referencyjnej moČe si¿ odbywa° równieČ za poïrednictwem protokoÙu internetowego. Odbiór danych w przypadku internetowego protokoÙu Ntrip umoČliwia prawidÙowo skonfigurowana aplikacja mobileNtrip, któr­ instaluje si¿ w telefonie komórkowym. Wi¿cej informacji nt. tego protokoÙu oraz aplikacji moČna znaleĊ° w [6]. Odbiornik SR530 nie jest sprz¿towo wyposaČony w moČliwoï° Ù­cznoïci Bluetooth. Przewodowa wersja oprogramowania mobileNtrip wymaga w telefonie komórkowym zÙ­cza ce-bus. Menu konfiguracyjne aplikacji (rys. 2a) pozwala na ustawienia w zakresie: – wyboru domyïlnej stacji referencyjnej; – wyboru Castera z wprowadzeniem nazwy uČytkownika i otrzymanego z Euref-IP hasÙa (rys. 2b); – wyboru ĊródÙa pochodzenia wspóÙrz¿dnych nawigacyjnych (z odbiornika GPS lub wprowadzonych manualnie), które b¿d­ transmitowane w wiadomoïci GGA protokoÙu NMEA (rys. 2c); – wÙ­czenia i okreïlenia wielkoïci bufora dla danych korekcyjnych (rys. 2d); – parametrów portu analogicznych do tych przedstawionych w rozdziale 4. Podstawowymi parametrami konfiguracyjnymi umoČliwiaj­cymi skorzystanie z serwisu RTK danej sieci s­: przyznany login i hasÙo oraz adres IP i numer portu. Opcja NMEA jest konieczna tylko w przypadku wyznaczania pozycji na podstawie obserwacji VRS.

Transmisja danych w pomiarach RTK GPS Systemem GPS 500 a)

b)

c)

179 d)

Rys. 2. Konfiguracja aplikacji mobileNtrip: a) Menu; b) Caster; c) NMEA; d) bufor danych

7. Podsumowanie W pomiarach RTK GPS dane ze stacji referencyjnej mog­ by° transmitowane bezpoïrednio przez modem lub za poïrednictwem protokoÙu internetowego. Odbiór danych, niezaleČnie od zastosowanego sposobu transmisji ze stacji referencyjnej, moČe si¿ odbywa° za poïrednictwem modemu radiowego lub telefonu komórkowego. Aktualnie najefektywniejszym protokoÙem transmisji danych RTK jest protokóÙ RTCM v. 3.0. Dane s­ transmitowane przez port szeregowy RS232C. Parametry konfiguracyjne portu musz­ by° identyczne w urz­dzeniach nadawczo-odbiorczych. PozostaÙe parametry konfiguracyjne zaleČ­ od rodzaju urz­dzenia. W wypadku modemu radiowego nie konfiguruje si¿ juČ innych parametrów. W dalmierzu laserowym dodatkowe parametry dotycz­ redukcji mierzonych odlegÙoïci wynikaj­cych z mechanicznego zamocowania dalmierza na tyczce anteny GPS odbiornika ruchomego oraz zaleČnych od sposobu pomiaru odlegÙoïci dalmierzem. Konfiguracja telefonu komórkowego wymaga szerszej wiedzy nt. rozwi­zaÚ w sieci GSM danego operatora oraz znajomoïci komend AT danego telefonu, cho° moČna wypróbowa° konfiguracj¿ domyïln­ producenta. Telefon komórkowy oprócz transmisji danych moČe by° wykorzystany takČe do sterowania prac­ odbiornika GPS oraz komunikacji z odbiornikiem GPS, np. w celu ïci­gania danych z jego karty pami¿ci. Korzystanie z danych transmitowanych w protokole Ntrip wymaga instalacji w telefonie komórkowym aplikacji mobileNtrip.

Literatura [1] Bagge A.: DGPS Data Formats 2.0. Dost¿pne na: www.geopp.de, 2001. [2] Brown Neumann J., Dierendonck K. van, Manz A., Ford T.J.: Real-Time Carrier Phase Positioning Using the RTCM Standard Message Types 20/21 and 18/19. Dost¿pne na: www.novatel.com.

180

A. UznaÚski

[3] Technical Reference Manual 5.0.0en. Leica Geosystems AG, Heerbrugg, Switzerland 2004. [4] Skaloud J., Gontran H., Merminod B.: GSM-Distributed RTK for Precise Analysis of Speed Skiing. IGNSS Symposium 2006, International Global Satellite Systems Society, Australia 17–21 July 2006. [5] UznaÚski A.: Metody wyznaczania pozycji technik­ RTK GPS. PóÙrocznik AGH Geodezja, t. 12, z. 2, 2006. [6] UznaÚski A.: Wybrane zagadnienia teletransmisji danych w pomiarach RTK GPS. Geomatics and Environmental Engineening, vol. 1, no. 4, 2007 (w druku).