Для достижения необходимых точности и качества геодезических измерений необходима достаточно совершенная методика замеров. Одним из методов ГНСС измерений является метод RTK (Real Time Kinematic — кинематика реального времени) [1], в котором используются два ГНСС приемника — один устанавливается на известной точке, второй перемещается от точки к точке и осуществляет сбор данных [2]. Но принципиальным достоинством данного метода является возможность получения результата непосредственно в момент измерения. Данная возможность реализована за счет прямой связи двух ГНСС приемников.
На текущий момент времени связь двух ГНСС приемников может быть осуществлена посредством двух типов модемов: GPRS и УВЧ [3]. Несмотря на то, что GPRS канал связи по праву можно считать более совершенным и более комфортным для использования, УВЧ канал связи не утратил своей актуальности. И причина тому в отсутствии 100%-го GPRS покрытия территории страны. Поэтому сегодня GPRS канал связи применяется в городах и там, где это физически доступно. Для всех остальных территорий остается только один канал связи — УВЧ. Практически все современные производители ГНСС оборудования комплектуют свои устройства УВЧ модемом небольшой мощности (в пределах 1-5 Вт) и штыревыми всенаправленными УВЧ антеннами. А в своей технической документации указывают предельную дальность действия не более 15 км. Для современных ГНСС измерений в режиме RTK 15 км — крайне небольшой показатель [4]. Зная об этом, производители рекомендуют использовать внешние УКВ модемы с максимальной мощностью от 2 до 35 Вт [5]. Однако использование такого устройства имеет ряд существенных ограничений:
- Применение УВЧ модема с мощностью 25-35 Вт требует специального разрешения и регламентируется государством [3];
- Применение УВЧ модема с мощностью 25-35 Вт требует дополнительного мощного источника питания;
- Стоимость оборудования.
Цель данной работы: показать эффективность использования внутреннего радиомодема ГНСС приёмника совместно с антенной Яги-Уда при передаче дифференциальных поправок от базы к роверу в режиме RTK и показать возможность стабильно передавать и принимать дифференциальные поправки на большие расстояния между ГНСС приёмниками, без использования внешнего УВЧ модема большой мощности. Дальность прямой видимости при нормальной атмосферной рефракции для дециметровых волн [6] определяется по формуле
где r0 – дальность прямой видимости, км; h1 – высота передающей УКВ антенны базы, м; h2 – высота приёмной УКВ антенны ровера, м.
Рассмотрим примеры использования ГНСС приёмников с антенно-фидерными устройствами при выполнении геодезических работ на равнинной местности:
- превышение высот базы относительно ровера составляет 18.5 метров;
- высота УВЧ антенны передатчика (ГНСС приёмник работает в режиме базы – передаёт дифференциальные поправки на ровер) равна 20.5 м;
- высота УВЧ антенны приёмника (ГНСС приёмник работает в режиме ровера – принимает дифференциальные поправки от базы) равна 1.6 м.
Из формулы (1) находим ~ 24 км.
Вышеприведённые оценки расстояния уверенной работы в режиме RTK с использованием внутреннего радиомодема базы мощностью 1 Вт подтверждают тезис компании Satel, что в сельской местности радиомодем 1 Вт с прямой радиосвязью может выходить на расстояние более 20 км и даже до 50 км в идеальных условиях [7]. Об этом же говорят и результаты, приведённые в работе [8].
Полученное значение превосходит расстояние в 15 км, заявленное производителями ГНСС приёмников. Это расстояние уверенного приёма поправок ровером от базы по радиоканалу УВЧ с использованием внутреннего радиомодема мощностью в 5 Вт на базе и штыревых УВЧ антенн с коэффициентами усиления 4дБи на ГНСС приёмниках.
Зависимость между мощностями сигналов передатчика и приёмника при распространении УВЧ в реальных условиях [6] определяется по формуле
где P1 — излучаемая антенной мощность, Вт; P2 — принимаемая антенной мощность, Вт; D1 — коэффициент усиления УВЧ антенны передатчика; D2 — коэффициент усиления УВЧ антенны приёмника; r — расстояние, проходимое электромагнитной волной от передатчика к приёмнику, м; λ — длина электромагнитной волны, м; F — множитель ослабления. В логарифмическом варианте уравнение (2):
где P1 дБм, Р2 дБм — мощности передатчика и приёмника выражены в дБ по отношению к мощности в 1мВт, а D1 дБи, D2 дБи – коэффициенты усиления УВЧ антенн, выраженные в дБ. Обозначим множитель ослабления, выраженный в децибелах, как FдБ = 20 lgF и найдём его из графика зависимости его медианных значений от расстояния [9]. Для длины волны l = 65,15 см получаем FдБ ≈ -40 дБ, что согласуется с результатами, полученными в работе [10].
Из формулы (3) находим расстояние, проходимое электромагнитной волной от базы к роверу r для стандартного комплекта база (радиомодем мощностью 5 Вт, штыревая антенна с усилением 4 дБи) — ровер (радиомодем мощностью 1 Вт, штыревая антенна с усилением 4 дБи): подставляем в формулу (3) значения P1дБм = 37 дБм, Р2дБм = -115 дБм, D1дБи = 4 дБи, D2дБи = 4 дБи, FдБ = -40 дБ, получаем значение для 20lg (λ /4𝜋𝑟) = −120 дБ , которое согласуется с 4𝜋𝑟 данными работы [11]. В результате получаем оценочное значение расстояния, проходимое электромагнитной волной от базы к роверу r = 51.9 км.
Для комплекта рис.1 база (с внутренним радиомодемом мощностью 5Вт, направленная антенна Яги-Уда с вертикальной поляризацией с усилением 9дБи) — ровер (с радиомодемом мощностью 1Вт, штыревая антенна с усилением 4дБи) из формулы (3) получаем r = 92.2 км.
Значительное увеличение расстояния прохождения электромагнитной волны частотой в 460 МГц от базы к роверу связано с её направленностью у антенны Яги-Уда, с коэффициентом усиления 9 дБи. Использование внутреннего модема мощностью в 5 Вт и антенны Яги-Уда в 9 дБи эквивалентно использованию внешнего радиомодема мощностью ~ 16 Вт и стандартно используемых, всенаправленных штыревых антенн с усилением в 4 дБи на базе и ровере!
Для проведения эксперимента был выбран участок автодороги протяженностью 20 километров с незначительным перепадом высот. Были задействованы два ГНСС приемника от компании Stonex со встроенными УВЧ модемами (один приемник был установлен на штатив и выполнял функции базы, второй приемник выполнял функции передвижного ровера), полевой контроллер, радиомачта и радиоантенна. Всенаправленная жгутиковая и направленная Яги-Уда радиоантенны менялись поочередно. Высота установки двух антенн не превышала 2 метров. Питание оборудования осуществлялось за счет внутренних аккумуляторов.
Технические характеристики УВЧ модемов и антенн, использованных для создания радиосвязи между базой и ровером:
- Радиомодем базы — TRM501 (частотный диапазон 410 – 470 МГц, мощность передачи 5 Вт, чувствительность приема -115 дБм, антенный разъем TNC, 50 Ом);
- Радиомодем TRM121 (частотный диапазон 410 – 470 МГц, мощность передачи 1 Вт, чувствительность приема -115 дБм, антенный разъем TNC, 50 Ом);
- Штыревая УВЧ антенна, ровер – (AR-470) длина 29,3 см, диапазон 450-470 МГц, входное сопротивление 50 Ом, усиление 4 дБи, разъём TNC.
- Направленная антенна Яги-Уда, база – TDJ-450Z5C10A, частотный диапазон 450 – 470 МГц, усиление – 9 дБи, ширина ДН в Н-плоскости – 58 град, ширина ДН в Е-плоскости – 70 град, уровень боковых лепестков ДН не более -13 дБи, отношение вперед/назад, не менее – 20, КСВ в рабочем диапазоне частот не более – 1.5, допустимая мощность 50Вт, поляризация – вертикальная, масса с креплением – 1100 г.
Находясь в движении, контроль удаления ровера от базы выполнялся посредством визуального считывания данных с контроллера.
После удаления ровера от базы на 5 километров измерения проводились каждые 5 километров. На контрольных пунктах в 10, 15 и 20 километров ровер принимал поправку от базы, выдавал фиксированные решения с сантиметровой точностью, результаты измерений представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Результаты измерений с Яги-Уда антенной на базе
Все измерения выполнены в статусе «Фиксированного решения». Фиксированное решение однозначно указывает на то, что ровер получает поправку от базы, канал связи стабилен и не имеет разрывов.
На удалении в 10 километров роверу, принимавшему сигнал от базы с всенаправленной антенной потребовалось 10 секунд для выхода в рабочее состояние, при этом задержка приема сигнала от базы была в пределах 1-3 секунд. В случае получения сигнала от Яги-Уда антенны роверу потребовалось не более 1 секунды для выхода в рабочее положение, при этом задержка получения сигнала от базы не превышала 1 секунды.
На удалении в 15 километров роверу, принимавшему сигнал от базовой станции с всенаправленной антенной потребовалось 13-15 секунд для выхода в рабочее состояние, при этом наблюдалось увеличение задержки приема сигнала от базы в пределах 2-3 секунд. В случае получения сигнала от направленной антенны роверу потребовалось не более 1 секунды для выхода в рабочее состояние, при этом задержка получения сигнала от базы не превышала 1 секунды.
На удалении в 20 километров ровер, принимавший сигнал от базовой станции с всенаправленной антенной не смог выйти в рабочее положение, наблюдалось значительное превышение (до 20-30 секунд) и нестабильность задержки приема сигнала от базы. В случае получения сигнала от Яги-Уда антенны роверу потребовалось не более 5 секунд для выхода в рабочее положение, при этом задержка получения сигнала от базы не превышала 1 секунды.
Полученные результаты позволяют с уверенностью утверждать об эффективности использования внутреннего радиомодема ГНСС приёмника совместно с антенной Яги-Уда при передаче дифференциальных поправок от базы к роверу в режиме RTK. Увеличивается стабильность и дальность передачи дифференциальных поправок на большие расстояния между ГНСС приёмниками без использования внешнего УВЧ модема большой мощности.