GPS:n mittausmoodit ja tarkkuus. Pysyvät asemat; aikasarjat, muutokset. Absoluuttinen paikannus

Transkriptio

1 GPS:n mittausmoodit ja tarkkuus 0 m m Navigointi; koodi; yksi vastaanotin DGPS; koodi + tukiasema 0. m 0.0 m 0.00m RTK; vaihehavainnot + tukiasema Staattinen; vaihehavainnot, verkko, jälkilaskenta Pysyvät asemat; aikasarjat, muutokset Absoluuttinen paikannus yksi vastaanotin koodihavainnot navigointi paikannustarkkuus muutama metri ion Lc t ct L( N ) ct trop ion... trop...

2 [m] Navigointi Muutaman metrin tarkkuus Toimii yhdellä vastaanottimella Reaaliaikainen, nopea, halpa, yleinen Laivat (avomerellä), bussit, junat, taksit, retkeilijät, marjastajat, Henkilökohtainen navigointi kuvat Ruizhi Chen SA pois Y Z X X-Y Joensuu X Y Z 2

3 Precise Point Positioning, ppp senttimetritarkkuinen paikannus yhdellä vastaanottimella satelliittien tarkat radat + kellokorjaukset ionosfääri 2-taajuushavainnoista troposfääri tuntemattomaksi vastaanottimen kellovirhe tuntemattomaksi monitie, kohina yms. satunnaisvirheeksi tavallisesti usean tunnin havainnot Differentiaalinen paikannus Vaatii tukiaseman, joka lähettää korjausdataa reaaliajassa Liikenne, laivat, metritarkkuinen paikannus 3

4 Tukiaseman etäisyys [km] Differentiaalinen paikannus Tukiasemalla lasketaan korjaus kuhunkin satelliittiin L i Lähetetään reaaliajassa liikkuvalle vastaanottimelle (RTCM) Tekee kunkin satelliitin pseudoetäisyyteen ko. suuruisen korjauksen ennen paikan laskemista i LL obs L Differentiaalinen paikannus Havaintosuure Vektorin pituus Tarkkuus Koodipseudoetäisyys (C/A-koodi) 0 km < 5 m 500 km < 0 m Tasoitettu koodipseudoetäisyys 0 km < m 500 km < 5 m m m m m Korjauksen ikä [s] 4

5 kuva Digita/Fokus Merenkulkulaitoksen DGPS-asemat Sijainti Peitto- Taajuus alue Porkkala (400) 59N58 / 24E Mäntyluoto (40) 6N36 / 2E Puumala (402) 6N24 / 28E Outokumpu (403) 62N4 / 29E Turku (404) 60N26 / 22E Marjaniemi (405) 65N02 / 24E Klamila (406) 60N30 / 27E Kokkola (408) 63N52 / 23E

6 EGNOS The European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) is Europe s first venture into satellite navigation. It will augment the two military satellite navigation systems now operating, the US GPS and Russian GLONASS systems, and make them suitable for safety critical applications such as flying aircraft or navigating ships through narrow channels. 6

7 EGNOS The signal broadcast by the EGNOS satellites ARTEMIS (PRN 24) and IOR-W (PRN 26) is used for EGNOS Initial Operations. The ESTB ( Egnos System Test Bed) signal is broadcast by the Satellite Inmarsat AOR-E (PRN20) The elements that make up the EGNOS system include: RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations) which pick up GPS signals, MCCs (Master Control Centres) to process the data delivered by the RIMS and uplink stations which send the signal to three geostationary satellites to then relay it back to users on the ground. Deployments so far include all MCCs, all Navigation Land Earth Stations (NLESs) and 3 of the 34 RIMS. Reaaliaikainen kinemaattinen paikannus Lasketaan tukiaseman ja mittauspisteen välinen suunta ja etäisyys Yleistymässä, maanmittaussovellukset 7

8 Havaintoyhtälön tuntemattomat Yksinkertainen erotushavainto n j n t 3n t + n j + n t L ( N ) ct ion trop Kaksoiserotushavainto (n j )n t 3n t + (n j ) L 2 ( 2 N 2 ) ion trop Kolmoiserotushavainto (n j )(n t ) 3n t 2 2 ion trop L ( t2) ( t2) ( t2) ( t2)... n j = satelliittien lukumäärä n t = ajanhetkien lukumäärä Kokonaistuntemattoman ratkaiseminen reaaliluvut kokonaisluvut 0.04 [m] Havaintojakson pituus [h] 8

9 On-the-fly Kokonaistuntemattomat ratkaistaan lennossa vähintäin 5 satelliittia (usein enemmän) Ratkaisuaika muutamasta sekunnista muutamaan minuuttiin luvattu tarkkuus: 0 mm + 2 ppm (taso) 20 mm + 2 ppm (korkeus) Tarkkuus riippuu tukiaseman etäisyydestä 0-5 km RTK 0-5 km 0-5 km 9

10 Empiirinen r.m.s.:n keskiarvo (mm) Empiirinen r.m.s. (m) Etäisyysriippuvuus taso korkeus Etäisyys (km) Linear (taso) Linear (korkeus) (Bilker 200) Puiden vaikutus dn de dh Avoin Häiriöt Yksittäisiä Puita Metsä (Bilker 200) 0

11 Satelliittien määrä Yhteisten satelliittien määrä Initialisointiajan keskiarvo (sek) (Bilker 200) Toistettavuus dn de dh Max Min Av R.m.s (Bilker 200) dn de dh Max Min Av R.m.s Mukana voi olla myös epäonnistuneita havaintoja

12 Verkko-RTK; VRS virtuaalitukiasema km Tarkkuus ei riipu havaitsijan etäisyydestä tukiasemaan; Tukiasemien välimatkat paljon suuremmat kuin perinteisessä RTKssa Useita mahdollisia toteutustapoja, esim. virtuaalitukiasema (VRS, virtual reference station) Residuaalit tukiasemilla VRS GSM soittosarja Residuaali virtuaaliasemalla Laskentakeskus Tukiasemadata laskentakeskukseen; laatukontrolli, vaihekatkojen korjaus, virhemallinnus; Virtuaaliasema näkyy käyttäjälle kuin todellinen RTK tukiasema 2

13 VRS-verkko GPSNet.fi kaupallinen RTK, DGPS, jälkilaskenta VRS tarkkuustutkimus Tampereen alue (8 pistettä) Etelä-Suomi (5 pistettä) Sjökullan fotogrammetrinen testikenttä (3 pistettä) Kriteerit testipisteiden valinnassa: Ei esteitä yli 20 asteen korkeuskulmilla Ei heijastavia pintoja ja sähkölinjoja antennin läheisyydessä Kiintopisteet perustettu peruskallioon, isoihin kiviin tai stabiileihin rakennelmiin Kiintopisteillä EUREF-FIN koordinaatit Pisteiden etäisyys lähimpään tukiasemaan; tasaisesti koko mittausalueella Pasi Häkli 3

14 Tarkkuudet ja alustusajat n = 252 Taso (mm) Korkeus (mm) Alustusaika (s) RMS / keskiarvo 95% % Epäonnistuneet alustukset:,8%, 4 karkeaa virhettä Häkli 2004 Etäisyys lähimpään tukiasemaan ja mittaukset verkon sisä- tai ulkopuolella Tulosten riippuvuus etäisyydestä lähimpään tukiasemaan: Taso: 9mm+0.ppm Korkeus: 4mm+0.5ppm Alustusaika: s+0.9s/km Verkon sisäpuolella etäisyysriippuvuus pieni, Verkon ulkopuolella alustusajat pidentyvät Laaja verkko: ei etäisyysriippuvuutta Pieni verkko: Ei eroa tasotarkkuudessa, mutta korkeudessa ja alustusajoissa etäisyysriippuvuus Häkli,

15 RTK-laitteisiin liittyviä tekijöitä RTK vastaanotin antaa liian optimistisia arvioita; tarkkuuksissa ei merkittäviä eroja eri laitemerkkien välillä. Mustat kolmiot: GDOP < 3 Punaiset ympyrät: 3 GDOP < 5 Siniset neliöt: GDOP 5 Häkli 2004 Tukiasemien välinen etäisyys (verkon tiheys) 4 eri tavoin muodostettua verkkoa neljän viikon aikana, lähes samanaikaiset havainnot referenssi- ja testiverkosta Keskimääriset etäisyydet: 67km, 77km, 87km ja 07km (referessiverkossa: 6km) Jokainen pylväs edustaa 300 riippumatonta havaintoa Vierekkäisten pylväiden ero (sininen: referenssi- ja punainen: testiverkko) kuvaa tukiasemavälin kasvattamisen vaikutuksen Testin mukaan alle 80 km:n keskimääräinen etäisyys turvallinen (Häkli 2004) 5

16 Staattinen suhteellinen paikannus Lasketaan tukiaseman ja mittauspisteen välinen suunta ja etäisyys GPS:n tarkin moodi; geodesia, maanmittaus L( N Staattinen suhteellinen paikannus ) ct ion trop... L 2 ( 2 N 2 ) ion trop... 6

17 i ( t) i, 0( t) c ( t) i ( t) i, 0( t) c ( t) i ( t) i 0( t) c ( t), i ( t) i, 0( t) c ( t) i ( t2 ) i, 0( t2 ) c ( t2 ) i ( t2 ) i 0( t2 ) c ( t2 ), l i ( t2 ) i, 0( t2 ) c ( t2 ) i ( t2 ) i, 0( t2 ) c ( t2 ) i ( t3) i, 0( t3) c ( t3) i ( t3) i, 0( t3) c ( t3) i ( t3) i, 0( t3) c ( t3) ( t ) ( t ) c ( t ) i 3 i, 0 3 Vaihepseudoetäisyydet 3 Xi Yi Z i Ni 2 N i x 3 Ni 4 N i i( t) i( t2 ) ( t ) i 3 axi( t) ayi( t) azi( t) c axi( t) ayi( t) azi( t) c axi( t) ayi( t) azi( t) c axi( t) ayi( t) azi( t) c 0 0 axi( t2 ) ayi ( t2 ) azi( t2 ) c axi( t2 ) ayi ( t2 ) azi( t2 ) c 0 A axi( t2 ) ayi ( t2 ) azi( t2 ) c axi( t2 ) ayi ( t2 ) azi( t2 ) c 0 axi ( t3) ayi( t3) azi( t3) c axi ( t3) ayi( t3) azi( t3) c axi ( t3) ayi( t3) azi( t3) c a ( t ) a ( t ) a ( t ) c Xi 3 Yi 3 Zi 3 Pikaratkaisut A B 7

18 Havaintojakson pituus vektorin pituus (km) havaintojakson kesto (min) (pika) > 00 useita tunteja nyrkkisääntö: havaintojakson minimipituus minuutteina on vähintäin sama kuin mitattavan vektorin pituus kilometreinä Havaintoverkon suunnittelu Ei piikkejä, yksittäisiä yhteisiä pisteitä tai siltoja. Jos useita vastaanottimia, verkon rakenne voidaan pitkälti suunnitella laskentavaiheessa. Jokainen piste yhdistetty 2-3 muuhun pisteeseen. 8

19 Havaintojaksojen lukumäärä Jos käytettävissä on r kappaletta vastaanottimia, mitattavia pisteitä on s, kullakin pisteellä ollaan m:n havaintojakson ajan ja vastaanottimia siirrettäessä o pistettä pidetään yhteisenä, on havaintojaksojen n määrä n m s o r o A B kiinteä piste Ei näin A B C hav.jakso hav.jakso hav.jakso hav.jakso 4 7 (5) vaan näin Mutta... RTK on säteittäistä mittausta!! Havaintopisteiden sijoittelu 2 Esimerkki: tielinjan mittaus; havaintopisteet vastakkaisilla puolilla tietä 9

20 Minne piste kannattaa perustaa? Aina ei voi valita paikkaa mutta tämmöiseen paikkaan ei kannata mennä!! Epäkeskisen pisteen perustaminen Apupiste d d2 Mitattava piste Havaintopaikka d > d2; lisäksi tarvitaan 2 GPS-vastaanotinta, teodoliitti ja runsaasti lisää aikaa 20

21 Antennin korkeus r h vino Mittaus kohdistuu usein antennin reunaan; havainnot sähköiseen keskipisteeseen ja antennin dimensiot ilmoitetaan usein ARP:n suhteen joka on esim. kiinnitysreikä ARP = Antenna Reference Point h h r h suora 2 2 vino GPS:n tarkkuussovelluksia Lasketaan staattisen suhteellisen paikannuksen avulla Havaintoajat minuuteista jatkuvasti havaitseviin pysyviin asemiin Kuntien ja kaupunkien kiintopisteet Tonttien, maa-alueiden yms. rajat Valtakunnalliset järjestelmät Maankuoren liikkeet Globaalit muutokset 2

22 GPS:n tarkkuussovelluksia 22

23 Amplitude [ppb] Verkon mittakaava muuttuu 5 Amplitude vs. baseline length y = 0.003x Baseline length [km] 23

24 Length [mm] Geodynamiikan tutkimus Maannousututkimus BIFROST GPS aikasarjat Maannousu-painovoimalinjat Absoluuttipainovoima Etelämannertutkimus kuva Hannu Koivula Paikalliset liikkeet Olkiluoto GPS5-GPS y = 0.49x + a Time [y] 24

25 Nykyhetki 750 milj. v. sitten Euroopasta Suomeen 25

26 GPS, geoidi ja vaaitus 26

27 European Unified Vertical Network (EUVN) Kampanjan tavoitteena Euroopan maiden korkeusjärjestelmien liittäminen toisiinsa. V mennessä tihennys Suomeen n. 30 pistettä Painovoima ja geoidi 27

28 Painovoimakenttää mittaavat satelliitit Meren globaalit muutokset 28

29 Datan käsittely Verkko voidaan muodostaa usein vasta laskenta-aikana Ei piikkejä, siltoja,... HUOM virhekontrolli tasoituksessa Joissain laskentaohjelmistoissa oltava tarkkana ylimäärityksen kanssa (triviaalit vektorit) RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 2 OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE RGRINEXO V2.4.4 LH FGI 8-OCT-97 00:48 PGM / RUN BY / DATE PERMANENT STATION AUTO OFFLOAD COMMENT METS MARKER NAME 0503S0 MARKER NUMBER MPA FGI OBSERVER / AGENCY 3 ROGUE SNR /.5 REC # / TYPE / VERS 25 DORNE MARGOLIN B ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N WAVELENGTH FACT L/2 5 C L L2 P2 P # / TYPES OF OBSERV 30 INTERVAL TIME OF FIRST OBS END OF HEADER

30 Laskenstastrategia -taajuus vektorin pituus [km] laskentastrategia < n. 0 L vaihe, ratkaistaan kokonaistuntemattomat L vaihe, ratkaistaan kokonaistuntemattomat. > n. 30 L vaihe, ionosfäärimalli. Ei kokonaistuntemattomia. kommentit Onnistuu yleensä aina. Onnistuu useimmiten, mutta vaikeuksia aktiivisen ionosfäärin aikana. Syytä välttää, koska ionosfääriä ei voi eliminoida. Jopa useiden ppm skaalavirheitä tai ratkaisu voi epäonnistua kokonaan. Onnistuminen riippuu täysin ionosfäärin aktiivisuudesta. Laskenstastrategia 2-taajuus Vektorin pituus [km] Strategia < n. 0 L (+ L2) vaihe, ratkaistaan kokonaistuntemattomat L (+ L2) vaihe, ratkaistaan kokonaistuntemattomat. Kommentit Pienin kohina, voidaan käyttää myös L2:n vaihetta, joskin hieman kohinaisempi. Onnistuu yleensä; aktiivisen ionosfäärin aikana voi joutua jo L3-ratkaisuun. > n. 30 L3 vaihe. Standardiratkaisu, lähes varma; kohinaisempi kuin L; ei kokonaislukuratkaisua. > n. 30 L3 vaihe + kokonaislukuratkaisu. Joudutaan laskemaan useassa vaiheessa, L5, L+L2 + ionosfäärimalli, aina km saakka; MW- tai QIFratkaisu jopa >000 km saakka. 30

31 jaksoa jaksoa Residuaalit Epookki Epookki Toistomittausten rajat > a + bl ; L = vektorin pituus cn dl n L = silmukan kokonaiospituus, n = sivujen lukumäärä komponentti a b c d [mm] [mm/km] [mm] [mm/km] N E korkeus

32 Kaavoitusmittausohjeet Satelliittimittauksessa käytetään vähintään neljää lähtöpistettä, jotka sulkevat verkon alueen sisäänsä. Verkko muodostuu sulkeutuvista kuvioista, silmukoista. Vektoreiden tulee olla mahdollisimman tasapituisia. Yhden silmukan vektorit havaitaan vähintään kahdessa havaintojaksossa. Verkossa pitää olla kahteen kertaan mitattuja, riippumattomia vektoreita vähintään 5%. Vierekkäisillä silmukoilla on oltava vähintään kaksi yhteistä pistettä. Silmukat eivät saa liittyä toisiinsa vain yhden pisteen tai yhden vektorin välityksellä. Verkossa ei saa olla piikkipisteitä. Mittauksessa käytetään staattista mittausta tai staattista pikamittausta oheisen taulukon mukaisesti. Kaavoitusmittausohjeet Satelliittigeometriaa kuvaavan GDOP luvun arvo on oltava < 8. Havaintoaikoja kannattaa pidentää ohjearvoista, jos GDOP tai auringon aktiivisuus ovat suhteellisen korkeita. 32