Pomiar w centymetrowej dokładności za pomocą odbiornika satelitarnego? Dzięki RTK to od lat codzienność choćby dla geodetów. Ale technologia ta ma kilka zasadniczych wad, przez które wielu użytkowników z coraz większą nadzieją patrzy na inny trzyliterowy skrót – PPP.

Dokładność amatorskiego odbiornika satelitarnego wynosi nie więcej niż kilka metrów i dużo lepsza nie będzie – takie są bezwzględne prawa fizyki. Żeby wyznaczyć nasze współrzędne, instrument musi wyliczyć odległości do satelitów GPS (lub GLONASS, Galileo czy BeiDou). Ograniczeniem w rozwoju sprzętu amatorskiego jest to, że odległości te są wyznaczane na podstawie odczytu wiadomości nawigacyjnych nadawanych przez owe satelity.

By uzyskać wyższą dokładność, trzeba mocniej „wgryźć” się w sygnał satelitarny – nie w kolejne wiadomości, ale w fale sygnału radiowego (które mają długość około 20 cm) lub nawet w części tych fal. Brzmi bardzo prosto, więc gdzie jest haczyk? Ano, w obliczeniu nieoznaczoności, czyli liczby fal znajdujących się pomiędzy odbiornikiem a satelitą. Okazuje się bowiem, że ich wyznaczenie w przypadku satelitów orbitujących z ogromną prędkością ponad 20 tys. km nad Ziemią jest bardzo trudne.

W przypadku wspomnianej na wstępie technologii RTK (Real Time Kinematic) obliczanie owej nieoznaczoności jest wspomagane poprzez poprawki, które generuje i rozsyła do użytkowników tzw. stacja bazowa lub referencyjna, czyli specjalny odbiornik znajdujący się w miejscu o bardzo dokładnie określonych współrzędnych. Korzystając z tych korekt i z sygnałów z minimum 5 satelitów nawigacyjnych (Tak! Pięciu, a nie jak w amatorskich instrumentach czterech), odbiornik RTK powinien zacząć pomiar w centymetrowej dokładności już po kilku-kilkunastu sekundach od włączenia. Brzmi chyba zbyt prosto, by było prawdziwe? Owszem, o czym można się przekonać chociażby z lektury geodezyjnych forów dyskusyjnych, gdzie narzekań na RTK nie brakuje.

Nie zawsze RTK

1. Nie zawsze w zasięgu – Korekty RTK dostarczane są do odbiornika najczęściej przez sieć komórkową. O ile w mieście nie ma z nią problemu, to – jak zapewne przekonał się już każdy z nas – brak zasięgu na odludziu nie jest niczym niezwykłym. A nawet jak sygnał jest, to szybkość transmisji danych może pozostawiać wiele do życzenia.

2. Nie zawsze w pobliżu – Korekty RTK zapewniają centymetrową dokładność pomiaru, ale tylko w promieniu kilkudziesięciu kilometrów od stacji referencyjnej. Teoretycznie to nie kłopot, bo w Polsce działa już kilkaset takich stacji rozmieszczonych we wszystkich regionach kraju. W praktyce pojawia się jednak kilka problemów. Po pierwsze, stacje te należą do różnych sieci, a poszczególne sieci nie zawsze obejmują cały kraj. Z kolei korzystanie z kilku sieci to dodatkowe wydatki. Po drugie, nawet jak mamy stację w pobliżu, to może ona ulec awarii. Rzut oka na stronę ASG-EUPOS (największej krajowej sieci) pokazuje, że wcale nie zdarza się to rzadko. Geodeta może więc wówczas tylko siąść i płakać lub wystawić własną stację referencyjną. Po trzecie, dostęp do poprawek robi się kłopotliwy, gdy chcemy mierzyć w różnych krajach, w tym w regionach odludnych czy na morzu, gdzie stacji referencyjnych nie ma i nie będzie.

3. Nie zawsze w cenie – Koszt budowy wspomnianego ASG-EUPOS wyniósł 28 mln zł, do tego trzeba doliczyć kolejne miliony wydane na utrzymanie i modernizację systemu. Dobrze pokazuje to, że pokrycie większego obszaru korektami RTK jest po prostu kosztowe, a koszt ten oczywiście na końcu ponosi użytkownik. To jedna z głównych przyczyn, dla których technologia ta jest wykorzystywana głównie przez profesjonalistów.

Czemu PPP?

Wszystkich tych wad pozbawiona jest metoda PPP (Precise Point Positioning) czasu rzeczywistego:

1. Zawsze w pobliżu – Clue technologii PPP polega na tym, że korekty nie dotyczą tu – jak w przypadku RTK – lokalnych obserwacji obowiązujących wyłącznie w promieniu kilkudziesięciu kilometrów, ale błędów orbit poszczególnych satelitów nawigacyjnych oraz ich zegarów. Są to więc dane, które mogą być wykorzystane przez odbiornik znajdujący się w dowolnym zakątku świata, nawet na środku oceanu. Informacje o precyzyjnych orbitach i działaniu satelitarnych zegarów atomowych generowane są przez znacznie rzadszą niż w przypadku RTK sieć stacji referencyjnych (mówiąc precyzyjniej: w przypadku PPP są to stacje śledzące, bo ich głównym zadaniem jest śledzenie orbit satelitów). Mimo to i tak jest to system o dużej redundancji, bo każdego satelitę obserwuje w danej chwili kilka stacji. Krótko mówiąc, nawet jeśli któraś z nich ulegnie awarii, nie wpłynie to na dostępność usługi czy dokładność wyznaczania pozycji.

↓ Schemat działania technologii PPP czasu rzeczywistego: obserwacje satelitów GNSS ze stacji naziemnych wysyłane są przez centrum obliczeniowe do satelitów geostacjonarnych, skąd trafiają do użytkowników końcowych. Mogą też do nich trafić przez sieć komórkową (źródło: NovAtel)

2. (prawie) Zawsze w zasięgu – Fakt, że w przypadku technologii PPP nadawana jest jedna uniwersalna korekta, sprawia, iż można ją dostarczać do odbiorników za pomocą satelitów geostacjonarnych. Jeśli operator wynajmie ich kilka, może łatwo objąć zasięgiem cały świat. W takim przypadku nie ma więc mowy o tym, że stracimy zasięg na odludziu. Oczywiście i ta metoda komunikacji ma swoje wady. Przede wszystkim tę, że w lesie, górach czy wśród gęstej zabudowy satelity geostacjonarne mogą stać się niewidoczne dla odbiornika, a wówczas nici z dokładnego pomiaru. Warto jednak podkreślić, że satelity geostacjonarne są z reguły wysoko na niebie, a poza tym niektórzy dostawcy korekt PPP inwestują w dodatkowe aparaty, by każdy użytkownik miał w swoim zasięgu przynajmniej dwa źródła korekt. Co więcej, część usługodawców zapewnia alternatywny dostęp do danych również przez sieć komórkową.

3. (chyba) Zawsze w cenie – Pokrywająca całą Polskę sieć ASG-EUPOS ma ponad 100 stacji referencyjnych. To mniej więcej tyle samo co RTX – sieć Trimble’a obejmującą zasięgiem cały świat! Krótko mówiąc: koszt budowy systemu dostarczania korekt PPP w przeliczeniu na powierzchnię jest znacznie niższy niż w przypadku RTK. Czy przekłada się to na niższą cenę usług? Niestety, trudno powiedzieć, bo dostawcy korekt PPP generalnie nie ujawniają publicznie swoich cenników. Wyjątkiem jest Trimble, którego najdokładniejsza usługa RTX (CenterPoint) kosztuje 2 tys. euro. Dla porównania za ASG-EUPOS zapłacimy 1500 zł, oferta tej amerykańskiej firmy może więc wydawać się bardzo droga. Pamiętajmy jednak, że RTX jest usługą globalną, a abonament za ASG-EUPOS w porównaniu do zagranicznych odpowiedników jest bardzo tani. Żeby nie być gołosłownym: roczny dostęp do niemieckiej usługi RTK wynosi właśnie 2 tys. euro.

Dodajmy, że dostęp do korekt PPP bywa oferowany na ograniczonych warunkach za darmo. Na przykład użytkownicy niektórych odbiorników Trimble’a mogą korzystać bezpłatnie z RTX, gdy urwie im się połączenie z korektami RTK. Z kolei właściciele niektórych odbiorników NavCom mają dostęp do korekt StarFire za darmo.

Tak czy inaczej – zbudowanie własnej sieci PPP jest w zasięgu finansowym nie tylko dużych korporacji. Oznacza to, że powstawanie nowych tego typu usług jest tylko kwestią czasu, a to z kolei musi przełożyć się na obniżki cen. Plotki chodzą, że za około rok start własnej usługi PPP ma nawet ogłosić pewna chińska firma.

↓ Zasięg korekt usług TerraStar

↓ Zasięg korekt usług Trimble RTX przez sygnał satelitarny. W przypadku korzystania z korekt przez internet, są one dostępne wszędzie tam, gdzie jest sieć.

↓ Zasięg korekt OmniStar oraz rozmieszczenie stacji śledzących

Nie dla niecierpliwych

Żeby ten artykuł nie zabrzmiał jak pean na cześć PPP, nadmieńmy, że technologia ta ma jedną zasadniczą wadę, której na imię konwergencja. Nie wchodząc zbytnio w szczegóły: po włączeniu odbiornika i nawiązaniu połączenia z usługą, musi nastąpić inicjalizacja dokładnego pomiaru, która trwa nawet kilkadziesiąt minut! Dlaczego tak długo? Ponieważ korekty PPP – jak już wspomnieliśmy – zawierają tylko informacje o orbitach satelitów i zegarach, a nie posiadają takich ważnych danych, jak choćby opóźnienie jonosferyczne, które jest istotną składową błędu pomiaru satelitarnego. Odbiornik musi więc wyliczyć te wartości sam, co jest niestety czasochłonne. W szczególną cierpliwość musimy się uzbroić, gdy mamy do czynienia z niekorzystną geometrią satelitów lub z tzw. efektem wielodrożności (występującym np. w miastach). Wówczas konwergencja może zająć nawet kilka godzin! Dla wielu użytkowników dyskwalifikuje to PPP jako sensowną technologię pomiaru.

Na szczęście naukowcy od lat głowią się, jak rozwiązać problem długiej konwergencji… i mają na tym polu całkiem niezłe osiągnięcia. Na przykład w usłudze StarFire inicjalizację skrócono do 5 min w przypadku, gdy stoimy w miejscu o znanych współrzędnych. Z kolei wiosną tego roku Trimble ogłosił wprowadzenie usługi CenterPoint RTX, w przypadku której konwergencja jest krótsza niż 5 minut, choć tylko w wybranych regionach świata (w tym w południowo-zachodniej Polsce). Dla pozostałych terenów jest to zaś kwadrans. To wciąż znacznie dłużej niż kilkanaście sekund w przypadku RTK, ale w wielu zastosowaniach będzie to już akceptowalne. Dodajmy, że Trimble rozwinął również technologię znacznie przyspieszającą reinicjalizację pomiaru w przypadku utraty łączności z korektami PPP. Przechodząc przez np. wysoką zabudowę nie musimy więc ponownie czekać kwadransa, by powrócić do pracy.

System	Usługa	Deklarowana dokładność	Wspierane konstelacje	Właściciel
OmniStar	XP	15 cm	GPS	Trimble
	G2	<10 cm	GPS, GLONASS
RTX	ViewPoint	<1 m	GPS, GLONASS, BeiDou	Trimble
	RangePoint	<50 cm	GPS, GLONASS, BeiDou
	FieldPoint	<20 cm	GPS, GLONASS, BeiDou
	CenterPoint	<4 cm	GPS, GLONASS, BeiDou
Atlas	H100	1 m	GPS, GLONASS, BeiDou	Hemisphere
	H30	30 cm	GPS, GLONASS, BeiDou
	H10	8 cm	GPS, GLONASS, BeiDou
StarFire	SF2	5 cm	GPS, GLONASS	John Deere
C-Nav	C1	5 cm	GPS	Oceaneering International
Veripos	C2	5 cm	GPS, GLONASS	Hexagon
	Apex	10-20 cm	GPS
	Apex2	5 cm	GPS, GLONASS
	Ultra	15 cm	GPS
	Ultra2	8 cm	GPS, GLONASS
TerraStar	TerraStar D	10 cm	GPS, GLONASS	Hexagon
	TerraStar C	2-3 cm	GPS, GLONASS

Dostępne sieci PPP czasu rzeczywistego [źródło: GSA]

Wydany w tym roku „Raport użytkownika technologii GNSS” głosi, że w najbliższych latach czas konwergencji będzie ulegał dalszemu skróceniu. Ma to być zasługa rosnącej możliwości obliczeniowej odbiorników oraz wykorzystaniu dodatkowych systemów nawigacyjnych i ich nowych częstotliwości.

Przełomem ma być oddanie do użytku usługi komercyjnej systemu Galileo, której pełna operacyjność będzie ogłoszona w 2020 roku. W tym przypadku korekty PPP będą nadawane przez wszystkie satelity tego systemu i mają zapewnić dokładność pozycjonowania porównywalną z technologią RTK. Niestety, na razie nie jest znany cennik tej usługi.

Komu? Komu?

Jeśli chcemy zacząć korzystać z technologii PPP, musimy mieć kompatybilny sprzęt. Korekty nadawane są bowiem na częstotliwości innej niż standardowe sygnały nawigacyjne. Na szczęście obecnie zdecydowana większość dostawców profesjonalnych i półprofesjonalnych odbiorników satelitarnych oferuje sprzęt przystosowany tego typu korekt, który cenowo nie odstaje od instrumentów korzystających wyłącznie z RTK. Co ciekawe, zaprezentowane pod koniec tego roku przez Trimble’a rozwiązanie Catalyst sprawia, że z PPP mogą korzystać nawet właściciele smartfonów. Jedyne, czego potrzebują, to dokupić specjalną, niewielką antenę oraz wybrać odpowiedni abonament.

Jak to jest możliwie? Wszystko przez to, że Catalyst jest tzw. odbiornikiem software’owym. Przy korzystaniu z takiego produktu do zaawansowanego przetwarzania sygnałów satelitarnych nie potrzebujemy specjalnego czipu, wystarczy odpowiednie oprogramowanie. Konkurencja z pewnością nie śpi i wkrótce zaoferuje podobne rozwiązania.

↓ By korzystać z PPP w smartfonie przez rozwiązanie Catalyst, wystarczy podłączyć urządzenie do specjalnej, niewielkiej anteny (fot. materiały prasowe Trimble)

Biorąc pod uwagę wady i zalety technologii PPP, dla kogo nadaje się ona najlepiej? Lektura stron poszczególnych usługodawców wskazuje, że ważną grupą klientów jest żegluga, hydrografia, a także biznesy typu off-shore, czyli np. operatorzy platform wiertniczych bądź morskich farm wiatrowych. Te zastosowania nie dziwią, bo przecież trudno na morzu założyć stację referencyjną, a z drugiej strony przy na ogół wysokiej wartości inżynierskich projektów prowadzonych „na falach”, wysoka precyzja pomiaru ma duże znaczenie.

Usługi PPP oferowane są również farmerom, którzy wykorzystują je w coraz popularniejszym rolnictwie precyzyjnym, a więc do skuteczniejszego nawożenia czy innych zabiegów na polu. Co ciekawe, jednym z właścicieli takiego serwisu jest firma John Deere – bodaj największy na świecie producent sprzętu rolniczego. Z jego oferty zapewne najchętniej korzystają właściciele rozległych upraw zlokalizowanych z dala od miast, gdzie w okolicy nie ma żadnych stacji referencyjnych.

↓ Z usługi StarFire firmy Jonh Deere korzystają głównie rolnicy

Korekty PPP są wykorzystywane również w mobilnych systemach kartowania czy skanowania. Świetnie się do tego nadają, bo takie pojazdy – co oczywiste – często zmieniają lokalizację, a nawet jeżdżą po różnych krajach. Korzystanie z jednej usługi PPP zamiast korekt RTK od kilku dostawców jest więc rozsądnym finansowo rozwiązaniem. Dodajmy, że dystrybutorzy tych korekt polecają je również dla geodezji, górnictwa, GIS-u, lotnictwa, a nawet badań sejsmicznych.

Różnorodne spektrum zastosowań nie zmienia faktu, że na razie technologia PPP jest znacznie mniej popularna niż RTK. Czy to się zmieni? Bardzo możliwe. Sukces zależy jednak do dwóch czynników. Po pierwsze, od znacznego skrócenia czasu konwergencji. W czasach, gdy wszyscy chcą mieć wszystko „na już”, nawet 5 minut oczekiwania na rozpoczęcie pomiarów to zdecydowanie za dużo. Jak już jednak pisaliśmy, rozwój systemów nawigacji (w szczególności wprowadzanie trzeciej częstotliwości cywilnej) oraz usprawnianie hardware’u niemal na pewno poprawi atrakcyjność usług PPP. Po drugie, muszą spaść ceny tych korekt, tak aby były one atrakcyjną alternatywą dla RTK. Jeśli plotki o chińskim serwisie PPP okażą się prawdziwe, niezłą przecenę mamy jak w banku. Podsumowując: o PPP będziemy słyszeć coraz częściej!