Различия в системах координат для навигации

Когда использовать координаты ECEF, а когда — систему отсчета

Мы часто думаем о координатах точек на Земле как о тройках широты, долготы и высоты (LLA). При работе с высокоточными системами мы также должны указать, в какой системе координат описаны эти координаты LLA и в какое время (в какую эпоху) они выражены. Система координат определяется датой, в то время как время измерения определяет эпоху.

Координаты космических аппаратов в глобальных навигационных спутниковых системах (GNSS), таких как GPS, передаются в декартовых координатах, центрированных на Земле и фиксированных на Земле (ECEF), таких как WGS-84 или ITRF14, которые не зависят от эпохи. Приемники GNSS естественным образом вычисляют свои местоположения в этих системах координат ECEF. Эти системы координат хорошо подходят для описания положений в космосе и в воздухе, но положения на Земле смещаются со временем относительно координат ECEF из-за относительного движения тектонических плит. Физическая точка, фиксированная относительно локальной географии (например, угол здания), будет иметь изменяющиеся во времени координаты LLA в системе отсчета WGS84.

Например, столб, зацементированный в землю в 1997 году на западном побережье США, сместился более чем на 1 м по сравнению с его положением, измеренным сегодня. Использование системы координат ECEF для картирования столба для визуальных целей или базового геопространственного анализа достаточно для фиксации его местоположения относительно других объектов на Земле, но недостаточно для поддержки навигационных решений, требующих абсолютного позиционирования.

Для решения этой проблемы геодезисты и другие специалисты по геодезии используют системы координат, закрепленные на тектонических плитах, например, системы NAD83 в США. В этих координатах относительно плиты положения, измеренные относительно местной географии, являются стационарными. В приведенном выше примере зацементированный столб имеет приблизительно одинаковую LLA год за годом при измерении в системе координат NAD83. Хотя координаты только «приблизительно» совпадают, поскольку реализация NAD83 не полностью соответствует фактическому тектоническому дрейфу, эта система координат обеспечивает гораздо более высокую точность для случаев использования точного позиционирования.

Однако это решение создало несоответствие: широта, долгота и высота, выраженные в WGS84, отличаются от широты, долготы и высоты, выраженных в NAD83. Разница между этими двумя кадрами не является постоянной, а является функцией времени. Преобразование между ними требует, чтобы мы знали, какое время вас интересует. Например, смещение для нашего примера полюса может составлять 1 м для кадра NAD83 в эпоху 2019 года, но может составлять всего 50 см для кадра NAD83 эпохи 2005 года. Это делает невозможным преобразование между координатными кадрами без знания эпохи.

Доступная глобальная точность без лишних хлопот.
Получайте точное позиционирование до сантиметра на любом двух диапазонном устройстве GNSS с молниеносным временем сходимости в нашей сети поправок RTK.

Связь RTK с датами и эпохами

Как расхождения в датах или эпохах влияют на данные поправок RTK

Кинематическое позиционирование в реальном времени (RTK) и аналогичные системы коррекции GNSS обеспечивают очень высокую точность, но способны измерять позиции только относительно известной точки. Хотя решения RTK полезны для сбора точной информации о позиционировании от GNSS, важно понимать, как эти данные связаны с датами и эпохами опорной системы.

Сети RTK способны вычислять позиции в глобальной системе координат (например, WGS84) путем вычисления позиции ровера относительно опорной станции и добавления этого вектора разности к известной позиции опорной станции. Это означает, что RTK неявно находится в той же системе координат, что и позиция опорной станции, транслируемая в сообщении RTCM 1005 или 1006 .

В приведенном выше примере с зацементированным столбом, если мы размещаем опорную станцию RTK, позиции, вычисленные с наблюдаемыми с этой опорной станции, будут как в кадре , так и в эпохе, в которой была обследована опорная станция RTK. Обратите внимание, что даже если опорная станция была обследована в WGS84, но обследование было завершено в 2005 году, то ошибка составит 50 см, если мы ожидаем, что сеть RTK выдаст результаты в кадре 2019 года.

Пример использования систем отсчета GNSS: Корея

Реальный пример того, как тектонические сдвиги и несовпадение датумов, эпох и RTK могут повлиять на данные GNSS

Как и западное побережье США, Корея также испытывает значительное, быстрое движение тектонических плит. Point One Navigation

провела эксперимент в Сеуле в конце 2019 года, чтобы увидеть, насколько сильно это движение может повлиять на координаты LLA. Вот что мы обнаружили.

На рисунке выше векторы показывают относительное движение земной массы по отношению к системе координат IGS08, которая является системой координат ECEF.

Если мы более внимательно рассмотрим точку выборки IGS08 в центре Корейского полуострова, то получим решение по скорости для устранения несоответствия:

Мы знаем, что эта опорная станция GNSS имеет следующие параметры:

Данные наблюдений референцной станции GNSS в Корее (RINEX)

• Дата: ITRF2000
• Эпоха: 2002.0

Мы также получили подтверждение от Корейского национального института географической информации (NGII), что это та же эпоха, которая используется в их системах и применяется по всей Корее для целей съемки (датум и эпоха KDM2002).

Это указывает на то, что положение опорной станции связано с датой эпохи 2002 года. По состоянию на конец 2019 года, когда были собраны данные тест-драйва, прошло почти 18 лет с момента вычисления и фиксации положений опорной сети. Это оставляет много места для ошибок в позиционировании.

2019.9 - 2002.0 = 17.9 лет

Используя скорость NGII для вычисления разницы положений за этот промежуток времени, мы обнаружили, что ожидаем, что текущие положения опорных станций будут отличаться от положений эпохи 2002 года более чем на полметра.

Во время тест-драйва в Сеуле мы наблюдали почти постоянное смещение между позициями ECEF, вычисленными с использованием базовой станции, обследованной в системе координат KDM2002 и эпохе, по сравнению с позициями, вычисленными с использованием другой близлежащей базовой станции, обследованной в текущей эпохе WGS84. Среднее дельта-положение за этот тест-драйв в Сеуле можно выразить следующим образом:

Мы пришли к выводу, что эта эмпирическая разница в положении вызвана сдвигом датума. Смещение положения практически постоянно во время динамического вождения в Сеуле, как показано на рисунке ниже. На этом рисунке показаны компоненты разницы положения Север (синий), Восток (красный) и Вниз (зеленый) (вертикальная ось) относительно времени GPS (горизонтальная ось).

На рисунке выше напрямую сравниваются решения RTK, рассчитанные Point One в реальном времени, и решения постобработки кинематики (PPK). Разности позиций рассчитываются с использованием следующего уравнения: Позиция (PPK) - Позиция (Point One RTK) . В самой правой части графика испытательный автомобиль ехал по городскому каньону, где ухудшенная ошибка GNSS перекрывает сдвиг датума. Левая часть графика в основном представляет собой открытое шоссе с короткими отклонениями из-за кратковременной потери GNSS (из-за проезда под мостами и т. д.).

Этот тип почти постоянного смещения положения является обычным для систем, работающих в разных системах отсчета или в одной и той же системе отсчета, но в разные эпохи. Эффекты легче наблюдать и они более значительны в областях с более быстрым тектоническим дрейфом, а также в регионах, где местные власти требуют использовать комбинации датума и эпохи, далекие от реального времени. Однако все пользователи RTK и подобных методов должны знать о влиянии датума и эпохи на их вычисленные позиции.

Начните работу с высокоточными решениями GNSS

Как Point One Navigation позволяет разработчикам легко согласовывать датумы, эпохи и RTK для получения наиболее надежных данных позиционирования

Мы надеемся, что это было полезным руководством для понимания сложных взаимосвязей между референтными системами отсчета, эпохами и RTK. Point One имеет набор решений для позиционирования, ориентированных на навигацию, чтобы помочь разработчикам использовать истинные данные позиционирования и в конечном итоге предоставлять наиболее точные продукты и приложения своим конечным пользователям.