Teknillinen korkeakoulu AS-0.3200 Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt (4 op) 21.1.2009 14.5.2009 Ilkka Penttilä, AS Lauri Suomela, AS Työn ohjaaja: DI Matti Öhman
Sisällysluettelo 1. Johdanto... 1 2. Teoria... 2 2.1 Yleisesti GPS järjestelmästä... 2 2.2 GPS-järjestelmän virheistä... 2 2.3 Differentiaali GPS... 3 2.4 SBAS eli Satellite Based Augmentation System... 5 2.5 A-GPS (Assisted GPS)... 6 2.6 Real-Time Kinematic (RTK)... 7 3. Koejärjestely... 8 4. Tulokset... 10 5. Johtopäätökset... 17 6. Työn eteneminen ja työhön käytetty aika... 20 7. Visioita ja parannettavaa... 21 8. Tiivistelmä... 22 9. Lähteet... 23
1. Johdanto GPS-tekniikka on nykyään käytössä mitä erinäisimmissä sovelluksissa yleisimmin tunnettujen autonavigaattorien lisäksi, aina urheilukäytöstä vaativaan maanmittaukseen. Paikannuksen tarkkuuteen vaikuttavia virhelähteitä on useita ja niitä varten on kehitetty erilaisia menetelmiä, joilla tarkkuus saadaan paranemaan. Tässä työssä tutkittiin GPSdatan tarkennusmenetelmiä, jotka olisivat toteutettavissa hinnaltaan muutoin edullisen laitteiston yhteydessä. Työn aikana toteutettiin erillinen koe, jonka tarkoitus oli havainnollistaa erityyppisten virheiden ilmentymistä ja testata yhtä valittavaa korjausmenetelmää käytännössä. Sivu 1
2. Teoria 2.1 Yleisesti GPS järjestelmästä GPS järjestelmä perustuu 24 satelliittiin, jotka kiertävät maata 20000 km korkeudessa. Yhteen pisteeseen maanpinnalla on teoriassa näkyvissä aina vähintään kuusi näistä. Satelliitit lähettävät koodattua signaalia, jonka kulkuajasta käyttäjällä oleva vastaanotin laskee pseudoetäisyyden siihen. Vastaanotin saa myös satelliittien ratatiedot. Näiden avulla vastaanottimessa voidaan ratkaista sen tarkka paikka, kun käytössä on signaalit vähintään neljästä satelliitista. (lähde 1) 2.2 GPS-järjestelmän virheistä GPS-paikannuksen virheet voidaan jakaa kahteen eri ryhmään. Common-mode virheet ovat samoja kaikille vastaanottimille samalla alueella. Niitä ovat SA eli tahallinen häirintä, ilmakehästä aiheutuvat kulkuaikaviiveet, satelliittien kello- ja ratatietovirheet. Noncommonmode virheet taas ovat vastaanotinkohtaisia. Näihin kuuluvat vastaanottimen kohina ja heijastumavirheet. (lähde 2) Kuva 1. Vastaanottimen paikan määrittäminen etäisyyksistä (lähde 3) Sivu 2
Yleisesti GPS:n tarkkuus on joitain metrejä. Syitä tähän on monia, kuten taulukosta 4 nähdään. Nettisivulla http://www.kowoma.de/en/gps/errors.htm on esitetty seuraavanlaisia suuruusluokkia eri virhelähteiden aiheuttamille virheille: Taulukko 4. Virhelähteiden aiheuttamien virheiden suuruusluokat.( lähde 17) Ionosfääristä aiheutuva virheet ±5m Satelliittien ratatietovirheet ±2,5m Satelliittien kellovirheet ±2m Multipath - heijastumavirheet ±1m Alailmakehästä aiheutuvat virheet ±5m Laskenta- ja pyöristysvirheet ±5m 2.3 Differentiaali-GPS (DGPS) Alunperin differentiaali GPS on kehitetty SA-häirinnän aiheuttaman virheen poistamiseksi. Tahallinen maailmanlaajuinen häirintä on kuitenkin sittemmin loppunut (lähde 4). Nykyään DGPS tekniikkaa käytetään common-mode virheiden eliminoimiseksi (lähde 2). DGPS perustuu paikallaan olevaan tukiasemaan, joka toimii normaalin GPSvastaanottimen tapaan laskien pseudoetäisyyksiä satelliitteihin. Kun tukiaseman sijainti on kiinteä ja tarkasti tiedossa, saadaan sen laskemista pseudoetäisyyksistä ja satelliittien ratatiedoista laskettua kussakin pseudoetäisyydessä esiintyvä common-mode virhe. Hyödyntämällä tämä korjaustieto mobiilivastaanottimen paikanlaskennassa, saadaan common-mode virhe eliminoitua. Tämä edellyttää että tukiasemalta on saatavissa korjaustieto kaikkia niitä satelliitteja koskien, joita mobiilivastaanotin oman paikan laskentaansa käyttää. Tukiaseman ja mobiilivastaanottimen on myös sijaittava kohtuullisen lähellä toisiaan, jotta tukiasemalla laskettu pseudoetäisyysvirhe olisi mahdollisimman lähellä mobiilivastaanottimelle aiheutuvaa virhettä (lähde 2). Käytännössä lopullinen paikannustarkkuus heikkenee 30 cm jokaista tukiaseman ja mobiilivastaanottimen välistä 100km kohti (lähde 5). Sivu 3
Kuva 2. DGPS korjaustiedon lähettäminen mobiilivastaanottimelle radioitse (lähde 6) Korjaustieto voidaan viedä mobiilivastaanottimelle esimerkiksi radioteitse ja käyttää näin reaaliaikaisesti paikan tarkennukseen. Tällöinkin korjaustiedon saannissa on muutaman sekunnin viive (lähde 7). Korjausviestin muoto on yleensä RTCM-formaatin mukainen (lähde 2). Toisaalta korjaustietoa voidaan myös tallentaa ja käyttää jälkikäteislaskennan avulla korjaukseen. Korjaustietoa voidaan tuottaa omalla paikallisella tukiasemalla, mutta sitä on tarjolla myös eri palveluntarjoajilla. Suomessa tällaista palvelua tarjoavat ainakin: Merenkulkulaitos, DGNSS-palvelu rannikkoalueilla (lähde 8). Digita, FOKUS-palvelu kaikkialla Suomen maa-alueilla, RTCM-korjaus lähetetään ULAtaajuuksilla RDS-signaalissa (lähde 9). Evon metsäoppilaitos, jälkikorjausdataa internetissä (lähde 7). Kun tukiasema on paikoillaan tunnetussa sijainnissa, siinä voidaan toisaalta laskea koko ajan paikkavirhettä ( x, y, z) suoraan ECEF-koordinaatistossa (lähde 2). Lähettämällä tämä korjauksena mobiilivastaanottimeen saadaan paikkatiedon korjaus tehtyä mobiilivastaanottimen kannalta kevyellä laskennalla. Tällöin lisätään saatu korjaus suoraan mobiilivastaanottimen laskemaan paikkaan. Tällä tavoin toimittaessa heikkoutena on, että tukiaseman ja mobiilivastaanottimen on käytettävä paikan laskentaan täsmälleen samoista satelliiteista saatavia pseudoetäisyyksiä. Näin ollen niiden on sijaittava lähellä toisiaan (< 50km). Tukiaseman on lähetettävä korjaustiedon lisäksi myös lista sen laskemiseen käytetyistä satelliiteista (lähde 2). Yleisemmin käytetään kuitenkin menetelmää, jossa tukiasema lähettää vastaanottimelle pseudoetäisyyden korjaukset sellaisinaan (lähde 1). Sivu 4
2.4 SBAS eli Satellite Based Augmentation System Eri puolilla maailmaa tunnettu eri nimillä, oleellisesti kuitenkin sama teknologia: WAAS (USA, Mexico) Wide Area Augmentation System EGNOS (Eurooppa) - European Geostationary Navigation Overlay System GAGAN (Intia) - GPS Aided Geo Augmented Navigation MSAS (Japani) - Multi-functional Satellite Augmentation System SBAS on kommunikaatiosatelliitteihin perustuva systeemi, jossa ilmakehän aiheuttamaa kulkuaikaviivettä korjataan lähettämällä vastaanottimille alueellista korjausta. SBAS:lle asetettu tarkkuusvaatimus on vähintään 7.6m tarkkuus vähintään 95% ajasta. Pohjois- Amerikan WAAS-järjestelmän tutkittu tarkkuus on yleisesti parempi kuin 1.0m tarkkuus lateraalisesti ja 1.5m vertikaalisesti. (lähde 10). SBAS on alun perin lentoliikenteen tarpeisiin (erityisesti automaattilaskeutumisjärjestelmiin) kehitetty järjestelmä, avattu yleisesti ilmailukäyttöön Pohjois-Amerikassa kesällä 2003. Euroopassa EGNOS on toistaiseksi testauskäytössä, joskin joitain kokeita EGNOS-pohjaisista laskeutumisjärjestelmistä on toteutettu alkuvuodesta 2008. (lähde 15). SBAS:in toimintaperiaate lyhyesti, pohjautuen kuvaan nro 3: kiinteät maa-asemat, joiden tarkat koordinaatit ovat tiedossa, keräävät GPS-dataa ja lukevat sen pohjalta korjaukset. Korjaustieto lähetetään keskuslähettimien kautta kommunikaatiosatelliitteihin, jotka välittävät sen vastaanottimille. GPS-satelliitti kommunikaatiosatelliitti GPS-satelliitti Kuva 3. GPS-satelliitti GPSsatelliitti vastaanotin Maa-asema (korjauksen laskenta ja lähetys komm.satelliitille) SBAS:n toimintaperiaate. Kuvan lähde: Wikipedia. Sivu 5
Korjausparametreja on kahdenlaisia: 1. hidas korjaus (päivitetään vastaanottimille 2min välein). Ionosfäärin aiheuttama virhe kulkuajassa muodostetaan ruudukoksi, ruudukon pohjana on 1808 pistettä, pohjoisilla leveyspiireillä harva ruudukko (ks. kuva3). Hitaaseen korjaukseen lasketaan myös satelliitin paikan ja radan (epheremis) virhe. Kuva3. IGS-pisteet Euroopan yllä (lähde 11) 2. nopea korjaus (päivitetään jatkuvasti) kompensoi satelliitin kellon ja paikan hetkittäisen virheen. Järjestelmää tukevat ja kehittävät WAAS:n osalta USA:n liikenneministeriö (DOT) ja ilmailuhallitus (FAA), sekä EGNOS:n taustavoimina toimivat European Space Agency (ESA), Euroopan komissio ja European Organisation for the Safety of Air Navigation (EUROCONTROL). (lähde 10) 2.5 A-GPS (Assisted GPS) Assisted GPS voi tarkoittaa montaakin eri asiaa, mutta yleisesti sen tehtävänä on nopeuttaa GPS-vastaanottimen käynnistämistä ja toimintakuntoon saattamista. Nimittäin, GPS-vastaanottimen saattaminen toimintakuntoon voi olla hidasta, jos yhteydet satelliitteihin ovat esteellisiä (kaupunkiympäristöt) tai heikkoja (sisätilat). (lähde 12) Vastaanotin tarvitsee päivitetyn almanakan sekä eferemidin (engl. epheremis). Almanakka on yleisluontoisempi ja karkeampi taulukko satelliittien radoista ja kulkuajoista, ja ladattu almanakka voi olla GPS-vastaanottimen muistissa kuukaudenkin ajan, kunnes tarvitaan uusi versio. Eferemidi on tiedoiltaan lyhytaikaisempi ja tarkempi, ja siten perusedellytys Sivu 6
tarkkaan paikannukseen. Uudet tiedot on ladattava 30 minuutin välein, ja GPS välittää eferemiditietoja joka 30. sekunti. Yleisimmin A-GPS-menetelmiä käytetään matkapuhelimissa olevissa GPSvastaanottimissa. Matkapuhelinverkkoa voidaan hyödyntää esimerkiksi laskemalla verkon avulla alkuarvaus vastaanottimen paikasta ulkoistamalla GPS-laskenta keskustietokoneelle, puhelin vain välittää mittausdatan ja ottaa vastaan oman paikkatietonsa vastaanottamalla satelliittialmanakka ja eferemidi verkon kautta välittämään ionosfäärihäiriön alueellinen korjaus (WAAS/EGNOS-tyyppinen ratkaisu) (lähde 13) Enimmäkseen A-GPS:ää käytetään juuri käyttöönoton nopeuttamiseen eikä niinkään GPS-datan korjaukseen. Esimerkiksi Nokia kertoo www-sivuillaan (lähde 14), että sen N- sarjalaiset ja kommunikaattorit käyttävät A-GPS:ää nimenomaan satelliittien paikkatiedon hakemiseen, jolloin siitä saadaan hyötyä nimenomaan käynnistettäessä. Niin kutsuttu Time to first fix (TTFF), eli aika käynnistyksestä GPS-laitteen paikan määrittämiseen, lyhenee noin minuutista joihinkin kymmeniin sekunteihin. 2.6 Real-Time Kinematic (RTK) Real-Time Kinematic on erityisesti maanmittauskäyttöön suunniteltu GPSkorjausmenetelmä, jossa mitataan vastaanotetun signaalin kantoaallon vaihetta. Vaiheerosta saadaan mitattua paikalle tarkemmat, muutaman kymmenen sentin tarkkuuksiset koordinaatit. Käytännössä RTK vaatii kiinteän maa-aseman, joka mittaa kantoaallon vaihetta ja välittää sitä RTK-vastaanottimille. Vastaanotin vertaa satelliitin ja maa-aseman lähettämää kantoaaltoa, ja laskee sen perusteella tarkan paikkansa. RTK:n haittapuolena on signaalien päällekäisyyden määrittäminen: on aina mahdollista, että mitattua signaalia ja referenssisignaalia ei asetetakaan päällekäin, vaan tarkkuuteen tulee n. 20cm virhe (pahimmillaan muutamaan kertaan). Johtuen vastaanottimien kalleudesta, ja tekniikan erityisestä suuntautumisesta ammattimaiseen maanmittaukseen, ei RTK-menetelmää käsitellä tässä projektissa tämän enempää. (lähde 6). Sivu 7
3. Koejärjestely Koetilannetta ajatellen korjausmenetelmän valinta tuotti hankaluutta. Alun perin mahdollisia vaihtoehtoja toteutettaviksi kokeiksi olivat: testimittaus, jossa vastaanottimen laskemat koordinaatit sekä pseudorange-arvot kirjoitetaan lokitiedostoon testimittaus kahdella GPS-vastaanottimella, joista toinen liikkuu ja toinen pysyy paikallaan kaksi testimittausta, joissa ensimmäisessä käytetään WAAS/EGNOS -korjaus on päällä ja toisessa pois päältä testimittaus yhdellä vastaanottimella ja WAAS/EGNOS -korjausarvojen kirjoittaminen lokitiedostoon tai vaihtoehtoisesti korjausarvojen haku ESAn SISNeT-palvelusta differentiaali-gps, jossa RTCM-104 korjausviestien muodostaminen paikallaan pysyvässä vastaanottimessa (pseudorange-virheet) ja RTCM-104 korjausviestien "pukkaaminen" liikkuvaan vastaanottimeen Projektin kuluessa todettiin, ettei SBAS-korjausdataa saa vastaanottimesta ulos, jouduttiin yhdellä mittausdatalla toteutetusta testistä luopumaan. ESAn SISNET-palvelusta (http://www.egnos-pro.esa.int/sisnet/index.html) korjausdata olisi voinut olla saatavissa. Ongelmana olisi ollut kuitenkin myös laskenta, sillä SBAS-korjauksen lisääminen paikanlaskentaan olisi vaatinut koko paikan ratkaisemisen toteuttamista aivan lähtöarvoistaan asti. Differentiaali-GPS dataa varten oltaisiin tarvittu radiovastaanotin, joka olisi tuottanut DGPS-palveluntarjoajan korjausdatan ulottuviimme. Tässäkin tapauksessa paikan ratkaisuun tarvittava laskenta olisi pitänyt suorittaa kokonaan uudelleen, jotta satelliittikohtaiset pseudoetäisyskorjaukset olisi saatu mukaan. Sivu 8
Kuva 4. Vastaanottimet sijoitettuna koulurakennuksen katolle. Lopulta päädyttiin suorittamaan kahden vastaanottimen koe, jossa keskenään samanlaiset vastaanottimet sijoitettiin koulurakennuksen katolle 20cm etäisyydelle toisistaan. Molemmat olivat kytkettyinä yhden Windows XP:llä varustetun tietokoneen sarjaportteihin ja niitä varten oli käynnissä kaksi erillistä SirfDemo ohjelmaa. Molemmille vastaanottimille tehtiin valmistajan lähettämä firmware-päivitys. Vastaanottimien asetukset säädettiin vastaamaan toisiaan. Haasteena oli saada vastaanottimet käyttämään mahdollisimman pitkälti samoja satelliitteja. Tätä varten muutettiin Elevation Mask asetus alkuperäisestä arvoon 15 astetta, eli estettiin tätä pienemmässä kulmassa horisontin yllä näkyvien satelliittien käyttö. Ensimmäisessä kokeessa mitään korjausmenetelmää ei käytetty, vaan tallennettiin latitudi/longitudi paikkatietoa 30 sekunnin välein 24 tunnin ajan kummallakin vastaanottimella samanaikaisesti. Tästä kertyi 2880 mittausta vastaanotinta kohti. Toisessa kokeessa kytkettiin vastaanottimien SBAS-korjaus päälle. Valmistajan mukaan korjauksen piti toimia firmware päivityksen jälkeen, tosin korjausdataa ei tästä huolimatta saatu vastaanottimesta ulos. Myös tässä tallennettiin latitudi/longitudi paikkatietoa 30 sekunnin välein 24 tunnin ajan kummallakin vastaanottimella samanaikaisesti. Tästäkin kertyi 2880 mittausta vastaanotinta kohti. Sivu 9
4. Tulokset Kokeen 1 tavoitteena oli tutkia paikkatiedossa olevan virheen luonnetta, kahden vastaanottimen kokeella. Olisiko paikan muutoksessa 24 tunnin aikana löydettävissä yhteistä, vastaanottimesta riippumatonta virhettä, ja erillistä, vastaanotinkohtaista virhettä? Toisena tavoitteena oli tutkia, DGPS:n perusajatusta mukaillen, saisimmeko paremmat tulokset vertailemalla mittausten eroa. Kokeen 2 tavoitteena oli tutkia, miten EGNOS-korjaus vaikuttaa kokeen 1 tuloksiin. Kokeiden olosuhteet olivat jokseenkin samanlaiset. Kokeessa 1 näkyvissä oli seitsemän (tai yli seitsemän) satelliittia 78,8% ajasta; vastaavasti kokeessa 2 81,9% ajasta. Molemmissa kokeissa ensimmäinen vaihe oli raakadatan suodattaminen: kaikki se data, missä vastaanottimien keskinäinen satelliittikonfiguraatio oli eri, oli poistettava. Kokeessa 1 jäljelle jäi 82 % datasta; kokeessa 2 96 %. Latitudi-longitudi paikkatieto muutettiin excelmakron avulla xy-koordinaatistoon. Origoksi valittiin kunkin vastaanottimen paikan keskiarvo, y-suunnaksi pohjoinen ja x-suunnaksi itä. KOE 1 Kokeessa 1 vastaanottimien mittaamien omien paikkojensa keskipisteet olivat 2,9 metrin päässä toisistaan (x -0,9 m; y -2,7 m). Kokeen 1 paikkaloki on esitetty kuvassa 5. Kuva 5. Kokeen 1 paikkaloki. Sivu 10
Kuvasta 5 on huomattavissa toisen vastaanottimen (GPS 2) huomattavasti suurempi hajonta. Tätä tukevat myös datasta lasketut tunnusluvut (taulukko 1). GPS 2:n muuttujien varianssit ovat huomattavasti suuremmat. Syytä tälle on vaikea keksiä, mutta eräs todennäköinen on syy on että ko. vastaanottimen satelliittikonfiguraatio on muuttunut useammin kuin 1. vastaanottimen. Taulukko 1. Koe 1:n muuttujien varianssit. GPS 1 GPS 2 x y x y Koe 1 4,697691 6,261494 11,17095 19,50314 Laskimme myös DGPS -korjatun paikan, joka on tässä tapauksessa yksinkertaistettu vastaanottimien väliseksi erosuureeksi. Eli toisin sanoen lähtöoletuksena on, että oikea paikka on vastaanottimien ilmoittamien paikkojen välillä. DGPS sinänsä pohjautuu kiinteään mittausasemaan, jonka paikka on tiedossa. Tässä tapauksessa sellaista ei ollut, joten olemme joutuneet lähtemään erilaisesta lähtöoletuksesta. Kuvassa 6 on esitetty paikkaloki DGPS -korjatusta datasta. GPS & "DGPS": Paikkaloki (koko otos) 70 50 30 10 GPS 1- GPS 2-70 -50-30 -10 10 30 50 70-10 -30-50 -70 Kuva 6 DGPS-korjattu paikkaloki. Sivu 11
DGPS -korjaus parantaa mittauksen varianssia verrattuna toiseen vastaanottimeen, kuten huomataan taulukosta 2. Voidaan siis tulkita, että DGPS-korjaus, tässä tapauksessa siis vastaanotinten erosuure, on pienempi kuin vastaanottimille yhteinen (varianssia aiheuttava) paikan vaeltaminen. Taulukko 2. Varianssit (GPS 1, GPS 2, DGPS -korjaus). GPS 1 GPS 2 DGPS x y x y x y Koe 1 4,697691 6,261494 11,17095 19,50314 7,64887 17,7626 On loogista ettei varianssi ole parempi kuin vastaanottimella 1, koska DGPS-korjaus sisältää lähdetietona molempien vastaanottimien antamat x- ja y-koordinaatit. On toisaalta myöskin hyvä huomata, ettei DGPS:n varianssi ole suurempaa kuin GPS 2:n varianssi. Voidaan siis tehdä jonkinlainen olettamus, että vastaanottimien keskinäinen erosuure on pienempi kuin vastaanottimien yhteinen vaeltaminen. Seuraava analyysi osoittaa tämän tarkemmin. Vastaanottimien paikan muutos x- ja y-suunnassa on esitetty kahdessa seuraavassa kuvassa (kuvat 7 & 8). Kuva 7. Paikan muuttuminen x-suunnassa ensimmäisessä kokeessa. Sivu 12
Kuva 8. Paikan muuttuminen y-suunnassa ensimmäisessä kokeessa. Kuten kuvista nähdään, paikan muutos on molemmilla vastaanottimilla hyvin samansuuntaista. Tunnusluvuilla ilmaistuna x-termien korrelaatio on 0,87 ja y-termien 0,74, eli kyseessä on vahva keskinäinen korrelaatio. Periaatteessa tästä kahden vastaanottimen kokeesta voisi kehittää myös korjausparametrit, jolla poistettaisiin paikkavirheen systemaattinen osa. KOE 2 Kokeessa 2 asetimme vastaanottimet käyttämään EGNOS-korjausta. Kannustava tulos oli se, että vastaanottimien paikan keskiarvot poikkesivat enää 1,3 metriä toisistaan (-1,1 m; - 0,8 m). Parannusta oli siis huomattavasti verrattuna 1. kokeen 2,9 metriin. Sivu 13
Kuva 9. Kokeen 2 paikkaloki. Vastaavasti, DGPS -korjattu paikkaloki on esitetty kuvassa 10. EGNOS & "DGPS": Paikkaloki (koko otos) 70 50 30 10 GPS 1 - GPS 2-70 -50-30 -10 10 30 50 70-10 -30-50 -70 Sivu 14
Paikan varianssi oli nyt vastaanottimella 1 suurempaa kuin vastaanottimella 2 (päinvastoin kuin kokeessa 1). Keskinäisiä variansseja suurempi muutos tapahtui kuitenkin varianssissa kokeiden kesken. EGNOS-korjauksen käyttöönotto siis lisäsi mittausten varianssia (taulukko 3). DGPS -korjaus paransi mittausdatan varianssia selkeästi verrattuna vastaanottimien sisäiseen varianssiin. Voidaan siis tulkita, että EGNOS-korjaus lisäsi paikan varianssia yleensä, mutta vastaanottimien välisen erosuureen ( DGPS - korjaus) varianssi pysyi samalla tasolla kuin kokeessa 1. Taulukko 3. Varianssit kahdessa kokeessa. GPS 1 GPS 2 DGPS x y x y x y Koe 1 4,697691 6,261494 11,17095 19,50314 7,64887 17,7626 Koe 2 34,58658 12,71639 21,80909 7,988235 10,15805 6,777063 Kuten kokeessa 1, paikan muutos korreloi vahvasti vastaanottimien välillä, kuten näemme kuvista 10 & 11. Korrelaatiokertoimiksi saimme 0,84 (x:t) ja 0,69 (y:t). Kuva 10. Paikan muuttuminen x-suunnassa toisessa kokeessa. Sivu 15
Kuva 11. Paikan muuttuminen y-suunnassa toisessa kokeessa. Sivu 16
5. Johtopäätökset Johtopäätöksinä voidaan todeta, että JOHTOPÄÄTÖS 1: vastaanottimien paikan virheessä suurin osa on systemaattista virhettä (common-mode), sillä paikan muutokset korreloivat vahvasti vastaanottimien välillä. Etenkin y-suunnassa kokeen 2 (EGNOS-koe) parannus on merkittävä, kuten taulukosta 3 huomataan. Taulukko 3. Vastaanottimien paikan keskiarvon ero. x (m) y (m) etäisyys (m) Koe 1-0,93562 2,784989 2,937949 Koe 2-1,096180-0,81885 1,368254 Kokeessa 1 vastaanottimien mittaamien omien paikkojensa keskipisteet olivat 2,9 metrin päässä toisistaan (x -0,9 m; y -2,7 m). Tulos on yhdenmukainen sen käsityksen kanssa, että GPS-vastaanottimen tarkkuus on joidenkin metrien luokkaa (itse vastaanotinten paikkaero oli vain noin 20 cm pohjois-etelä suuntaan eli y-suuntaan, x-suuntaan vastaanottimet olivat jokseenkin linjassa keskenään). Tuloksista ei ole pääteltävissä erityistä eroa itä-länsi- ja pohjois-etelä suuntien tarkkuuksissa (kokeessa 1 y-suunnan varianssi on suurempi, kokeessa 2 x-suunnan varianssi suurempi, ks. taulukko 4), eli ilmeisesti satelliittikonfiguraatio pysyy tarkkuuden suhteen riittävän symmetrisenä myös Etelä-Suomen korkeuksilla. Johtopäätöstä 1 tukee myös se, että vastaanottimien keskinäisen eron (jota käsittelimme DGPS -korjauksena) varianssi on pienempi kuin yksittäisten vastaanottimien paikkatiedon varianssi. Maksimiarvoihin verrattuna, kokeessa 1, x-suunnassa varianssi on 32% pienempi ja y-suunnassa 9% pienempi. Kokeessa 2, x-suunnassa varianssi on 71% pienempi ja y-suunnassa 47% pienempi. Tulokset on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Varianssien yhteenveto ja DGPS:n parannus varianssien maksimiarvoihin. GPS 1 GPS 2 DGPS DGPS/GPS varianssi x y x y x y x y Koe 1 4,697691 6,261494 11,17095 19,50314 7,64887 17,7626 68 % 91 % Koe 2 34,58658 12,71639 21,80909 7,988235 10,15805 6,777063 29 % 53 % Sivu 17
JOHTOPÄÄTÖS 2: Mitatut paikat olivat EGNOS-moodissa lähempänä toisiaan, mutta varianssi kasvoi: EGNOS ei parantanut mittausta laadullisesti. EGNOS-mittaus paransi mittauksen lopputulosta (vastaanottimien paikkatieto keskimäärin lähempänä toisiaan), mutta samalla mittausten varianssi kasvoi. Tästä johtuen emme voi sanoa että EGNOS-järjestelmä olisi parantanut kokeemme tarkkuutta ja luotettavuutta. Erityisen huolestuttava ja merkillinen tulos on seuraavassa esiteltävä yksittäinen suuri poikkeama. Suurin osa kasvaneesta varianssista johtui noin 15 minuuttia kestäneestä paikkatiedon vaeltamisesta (ääripiste n. -60m, -20m) ilman tätä varianssit olisivat olleet jokseenkin samat. Huomionarvoista on kuitenkin, että molemmat vastaanottimet vaelsivat. Eli syytä tähän on haettava muualta kuin yksittäisen vastaanottimen virheestä. Suurin tekijä paikan muuttumisessa on tutkimuksemme mukaan muutokset satelliittikonfiguraatiossa erityisesti suuret vaellukset origosta poispäin tuntuvat tapahtuvan samaan aikaan kun satelliittikonfiguraatio muuttuu. Koejärjestelymme, jossa mitattiin paikkaa 24h ajan, on tietysti erityisen herkkä satelliittikonfiguraation muutoksille johtuen pitkästä mittausajasta. 30 sekunnin mittausväli on haastava etenkin mittauksen varianssille, koska pidemmällä välillä konfiguraation muutos ja hienoinen vaeltaminen muuttavat tuloksia. Lyhyemmällä mittausajalla ja tiheämmällä välillä koordinaatit olisivat varmastikin lähempänä toisiaan. Kuva 10 havainnollistaa, todellisen esimerkin kautta, satelliittikonfiguraation ja paikan muuttumista. Kuva 10. Erikoistapaus EGNOS-kokeessa: satelliittikonfiguraation muutos aiheuttaa suuren virheen paikkatiedossa. Sivu 18
Ajanhetkellä t = 0min satelliitti #17 on juuri saapunut mittausalueen sisäpuolelle, ja se otetaan konfiguraatioon mukaan (paikka lasketaan nyt 8:n satelliitin datan perusteella). Samalla paikkavirhe lähtee kasvamaan rajusti. Ajanhetkellä t = 3min sateelliitti #19 poistuu mittausalueelta, satelliittien määrä tippuu seitsemään. Paikan vaeltaminen pysähtyy, ja se asettuu hiljalleen noin 50 metrin päähän origosta. Vasta ajanhetkellä t = 13min, jolloin satelliitti #9 saapuu mittausalueelle, paikkatieto korjaantuu hiljalleen taas normaaliksi. Muutos satelliittikonfiguraatiossa on siis saanut aikaan sen, että molemmat vastaanottimet ovat näyttäneet noin 15 minuutin ajan 40-60 metrin verran virheellistä paikkaa. Valitettavasti tämän koejärjestelyn puitteissa ei voi sanoa, lisääkö EGNOS-korjaus systeemin herkkyyttä tämänkaltaisille virheille vai onko kyseessä yksittäistapaus. On kuitenkin muistettava, että EGNOS-järjestelmä on edelleen testivaiheessa, eli havaitsemallemme poikkeukselle voi olla olemassa myös jokin eksoottisempi, poikkeusluontoinen selitys. Yhteenvetona voidaan todeta, että EGNOS-järjestelmä parantaa mittaustarkkuutta ja suurelta osin myös varianssia, kuten voidaan graafisesti tulkita vertaamalla kuvia 5 ja 8. Kuitenkin, mainittu pohjimmiltaan selittämätön poikkeus mittauksissa asettaa kysymyksiä järjestelmän luotettavuudesta ja siten myös käyttökelpoisuudesta, joten ainakaan tässä kokeessa emme saaneet EGNOS:ta mairittelevaa lopputulosta. Selvää on, että erityisen suurta tarkkuusparannusta EGNOS ei tuonut mukanaan, ainoastaan parannuksen muutamien metrien tarkkuudesta reilun metrin tarkkuuteen. Sivu 19
6. Työn eteneminen ja työhön käytetty aika Työn alussa tehtiin ohessa esitetty aikataulu. Työ eteni pääpiirteissään sen mukaisesti, tosin ennalta määrittämättömät asiat laitteiston ja tekniikan osalta tuottivat ylimääräistä työtä. Laitteistoon ja korjausmenetelmiin tutustuminen aloitettiin kuitenkin heti työn alkaessa ja lopulta myös koejärjestely päästiin tekemään ennalta asetetun aikataulun mukaisesti. Viikko 4 Tehtävänanto, aloituspalaveri ohjaajan kanssa 5-7 Kirjallisuusselvityksen laatiminen, projektisuunnitelman teko 8-10 Ohjelmistoon tutustuminen, koetilanteen tarkempi suunnitteleminen 11 Väliraportin esitteleminen 12-13 14-16 17 18-20 Itsenäistä työskentelyä ja kirjallisuusselvityksen viimeistelyä Koetilanne, raportointi Loppudokumentointia, loppuraportin esittäminen Loppudokumentin viimeistelyä Kun toinen vastaanottimista oli kiinnitetty koulurakennuksen katolle ja tällä päästiin testaamaan datan keräämistä jo hyvissä ajoin. Ensimmäisenä tutkimuksen kohteena ollut Sirf-demo ohjelmisto osoittautui lopultakin kokeen suorittamiseen parhaiten soveltuvaksi, sillä se oli vastaanotinsirun valmistajan itse kehittämä hyödyntäen näin parhaiten vastaanottimen tarjoamat ominaisuudet. SirfDemo löytyy osoitteesta http://www.sirf.com/sirfdemo.zip Myös muiden ohjelmistojen ominaisuuksia tutkittiin netin kautta. Näistä parhaiten tutustuttiin mobiililaitteille tarkoitettuun SirfTech ohjelmaan, joka löytyy osoitteesta http://w5.nuinternet.com/s660100031/sirftech.htm Projektin aikana tutustuttiin ohjaajan johdolla myös olemassa olevaan laitteistotarjontaan ja hieman GPS-tekniikan käytännön sovelluksiin. Työn tekemiseen käytettiin koko projektin ajan viikoittain 4-8 tuntia, kokonaistuntimääräksi muodostui täten noin 95 tuntia. Sivu 20
7. Visioita ja parannettavaa Tässä kappaleessa on esitetty omia mielipiteitä siitä miten projektia olisi voitu parantaa. Alkuperäinen tavoite oli tutkia GPS-datan korjausmenetelmiä. Tehdyt kokeet ja tulosten perinpohjainen analyysi olisivat voineet olla antoisampia, mikäli aikaa olisi ollut enemmän käytettävissä. Kenties projekti työ olisi vaatinut lähtökohtaisesti kalliimman ja suorituskykyisemmän laitteiston nykyisten vastaanottimien rinnalle. Näin mittausten vertailukohtana olisi voitu käyttää esimerkiksi oikealla valtakunnalliseen järjestelmään tukeutuvalla DGPS-paikannuksella saavutettavaa tarkkuutta vastaavan pituisella mittaussarjalla. Tämä olisi tuonut mielenkiintoa tulosten analysointiin. Laitteistotarjonta tällä alalla on valtaisaa, samoin löydettävissä olevat ohjelmistot. Näiden paremmalla tutkailulla nyt tehtyihin kokeisiin olisi voitu löytää paremmin soveltuva laitteisto. Tämänkaltainen etsiskely vie kuitenkin liikaa aikaa tehtäväksi 4 opintopisteen kurssin puitteissa, sillä se johtaa monta kertaa umpikuja-tilanteeseen. Osin tällaiseen kokeiluun meni nytkin ylimääräistä aikaa, joka olisi voitu käyttää koejärjestelyn parempaan suunnitteluun. Projektityön tueksi olisi ollut hyvä olla paikannuksen perusteet opettava kurssi, jolloin tulostenkin analysointi olisi ollut helpompaa. Tässä työssä käytetyt lähteet antavat vastaavat perustiedot tämän kaltaiselle projektityölle. Hyvä lähde GPSvirhelähteisiin tutustumiseen on nettisivu http://www.kowoma.de/en/gps/errors.htm (lähde 17). Kaikenkaikkiaan netistä on hyvin saatavilla tämän alan tietoutta, mutta eri lähteisiin pitää suhtautua kriittisesti. Osa tiedosta on vanhentunutta ja voi olla ristiriidassa muiden lähteiden kanssa. Seuraavia vastaavia projektitöitä ajatellen juuri omatekoisella tukiasemalla muodostettavan DGPS-datan hyödyntäminen oman mobiilivastaanottimen korjaustietona tuntuisi kaikkein mielenkiintoisimmalta vaihtoehdolta. Ensiksi voisi tietysti vertailla, miten tämä sama koejärjestely toimisi liikkeessä, lyhyemmällä mittausajalla ja välillä, esimerkiksi vastaanottimet auton katolle asennettuna tällainen koejärjestely olisi myös lähempänä vastaanottimien todellista käyttötarkoitusta esim. autonavigaattoreina (kiinteän paikan saa mitattua vaikka kartasta, ei siihen GPS-vastaanotinta tarvita). Toinen tutkimuskohde voisi olla, saadaanko itä-länsi- ja pohjois-etelä suunnassa keskinäistä eroa aikaan eri leveyspiireillä (eli verrataan mittauksia esim. Keski-Euroopassa, Etelä- Suomessa ja Pohjois-Suomessa; osaston vastatessa matkakuluista tämän ei luulisi olevan vaikeasti markkinoitava projektityöaihe). Sivu 21
8. Tiivistelmä GPS paikannuksessa esiintyy kahden tyyppisiä virheitä. Common-mode virheet ovat vastaanottimista riippumattomia, näistä suurimpana ilmakehän vaikutus signaalien kulkuaikoihin. Non-common-mode virheet taas ovat vastaanottimesta johtuvia. Korjausmenetelmiä on kehitetty alun perin tahallisen häirinnän takia, häirintä on kuitenkin näihin päiviin mennessä lopetettu.tärkeimmät korjausmenetelmät ovat kiinteillä tukiasemilla mitattuihin korjausarvoihuin perustuvat DGPS, sekä S-BAS eli WAAS/EGNOS Euroopassa. DGPS järjestelmässä satelliittikohtainen korjaus lähetetään paikallisesti vastaanottimelle esim. radioteitse. S-BAS järjestelmässä välitetään ilmakehämallia erillisten satelliittien avulla. Muita korjausmenetelmiä ovat A-GPS, jossa on matkapuhelin verkossa välitetään paikannuksen aloittamista nopeuttavaa tietoa, sekä maanmittauskäytössä oleva Real Time Kinematic (RTK). Tässä projektissa tehdyissä kokeissa todettiin kahden keskenään samanlaisen vastaanottimen paikan keskiarvoissa 2,9m ero vuorokauden mittausjakson aikana. Paikkatiedon muutos vuorokauden aikana korreloi vahvasti vastaanottimien kesken, kertoen suurimman osan virheestä olevan yhteismuotoista. Toistettaessa koe käyttäen SBAS korjausta vastaanottimien paikkojen keskiarvot lähenivät toisiaan eron ollessa nyt 1,3m. Tässä koesarjassa esiintynyt yksittäinen 15 min virhejakso sekoitti tulosten tulkintaa, ja herätti kysymyksiä EGNOS-järjestelmän luotettavuudesta. Syy virhejaksoon jäi epäselväksi, mahdollisista selityksistä vahvin on joku poikkeusluontoinen virhe vielä testikäytössä olevassa EGNOS-järjestelmässä. Sivu 22
9. Lähteet 1) Markku Poutanen GPS-paikanmääritys, Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1998, ISBN 951-9269-89-2) Jay Farrel & Matthew Barth The Global Positioning System and Inertial Navigation, McGraw-Hill, 1998, ISBN 0-07-022045-X 3) http://pro.magellangps.com/images/dgps.jpg 4) http://fi.wikipedia.org/wiki/gps 5) http://www.indagon.com/fi/osaaminen/fokus.php?page=4 6) http://pro.magellangps.com/images/dgps.jpg 7) http://www.ncp.fi/koulutusohjelmat/metsa/paikkatietowww/paikannus/gps6.html 8) http://veps.fma.fi/portal/page/portal/fma_fi/merenkulun_palvelut/liikenteen_ohjaus/radion avigointi 9) http://www.indagon.com/fi/osaaminen/alue.php?id=4 10) http://en.wikipedia.org/wiki/waas 11) U.S. DEPARTMENT OF TRANSPORTATION / FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION: SPECIFICATION FOR THE WIDE AREA AUGMENTATION SYSTEM (WAAS) http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navs ervices/gnss/library/documents/media/waas/2892bc2a.pdf 12) http://en.wikipedia.org/wiki/gps_phone 13) http://www.gpsworld.com/gpsworld/article/articledetail.jsp?id=12287 14) http://www.nokia.fi/palvelut/nokia-kartat/asiakastuki/nokia-maps-1-0/assisted-gps 15) http://www.esa.int/esana/egnos.html 16) http://www.septentrio.com/about_dgps_rtk.htm 17) http://www.kowoma.de/en/gps/errors.htm Sivu 23