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).