Global Navigation Satellite Systems GNSS Markku.Poutanen@fgi.fi Kirjallisuutta Poutanen: GPS paikanmääritys, Ursa HUOM: osin vanhentunut, ajantasaistukseen luennolla ilmoitettava materiaali (erit. suomalaiset koordinaatistot) Hofmann-Wellenhof Lichtenegger Wasle: GNSS Global Navigation Satellite Systems. Springer Leick: GPS Satellite Surveying (3rd edition). Wiley &Sons Hofmann-Wellenhof Lichtenegger Collins: GPS Theory and Practice. (5th edition) Springer Teunissen Kleusberg (Eds.) GPS for geodesy. Springer. 1
Kurssin sisältö 2
3
4. GPS-signaali 4.1 Signaalin rakenne 4.2 Havaintosuureet 4.2.1 Koodipseudoetäisyys 4.2.2 Vaihepseudoetäisyys 4.3 Ionosfäärirefraktio 4.4 Troposfäärirefraktio 4.4.1 Hopfieldin malli 4.4.2 Saastamoisen malli 4.4.3 Niellin malli ja muut troposfäärimallit 4.5 Monitieheijastuminen 4.6 Antennin vaihekeskipisteen paikka 4.7 Suhteellisuusteoreettiset efektit 4.8 Vastaanottimen aiheuttamia virheitä 5 Vastaanottimet ja antennit 5.1 Rakenne 5.2 Signaalin havaitseminen 6 Havaintosuureet ja havaintoyhtälöiden muodostaminen 6.1 Tavallisimmat lineaarikombinaatiot 6.2 Vaihe- ja koodipseudoetäisyyden kombinaatioita 6.3 Erotushavainnot 6.3.1 Yksinkertainen erotushavainto 6.3.2 Kaksoiserotushavainto 6.3.3 Kolmoiserotushavainto 6.4 Korrelaatiot verkkoratkaisuissa 6.5 Havaintoyhtälöiden linearisointi 6.5.1 Koodipseudoetäisyyden linearisointi 6.5.2 Vaihepseudoetäisyyden linearisointi 6.5.3 Kaksoiserotushavaintojen linearisointi 6.6 DOP 4
7. Havaintoyhtälöiden käsittely 7.1 Pienimmän neliösumman ratkaisu 7.2 Vaihekatko ja sen korjaaminen 7.3 Kokonaistuntemattomien ratkaiseminen 8. GPS-mittaukset 8.1 Mittausmoodit 8.2 Absoluuttinen paikannus 8.3 Differentiaalinen paikannus, DGPS 8.4 Ajan määritys 8.5 Kinemaattinen mittaus 8.6 Staattinen suhteellinen mittaus 8.6.1 Havaintokampanjan suunnittelusta 8.6.2 Pisteen perustaminen 8.6.3 Vastaanottimien sijoittelu 8.6.4 Havaitsemisesta 9. Havaintojen käsittely 9.1 Esikäsittely ja eri dataformaatit 9.1.1 RINEX-formaatti 9.1.2 Vektoreiden määrittely 9.1.3 Datatiedostojen valmistelu 9.2 Rataelementit ja lähtöpisteiden koordinaatit 9.3 Datan siistiminen 9.4 Parametrien estimointi 9.5 Ratkaisujen yhdistäminen, tasoituslaskenta ja virhekontrolli 9.6 Muunnokset toisiin järjestelmiin 10. Sovelluksia 5
GNSS Global Navigation Satellite Systems GPS (Global Positioning System) GLONASS (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) Galileo Compass GPS yhdysvaltalainen navigointisatelliittijärjestelmä metritarkkuinen reaaliaikainen paikannus, erityssovelluksissa millimetrit Alunperin sotilaskäyttöön kehitetty; nykyisin lukuisia siviilisovelluksia, satelliitteja 27-30 6
Galileo eurooppalainen paikannusjärjestelmä metritarkkuinen reaaliaikainen paikannus; erityssovelluksissa millimetrit Euroopan komission (EC) ja Euroopan avaruusjärjestön (ESA) yhteinen hanke Ensimmäinen testisatelliitti v. 2006 valmis 2012(?? todennäk. 2013-2014?) Lopullinen satelliittien määrä 30 GLONASS venäläinen sotilaallinen paikannusjärjestelmä metritarkkuinen reaaliaikainen paikannus; erityssovelluksissa millimetrit Lopullinen satelliittien määrä 24 Valmis 2012 7
GPS ja Galileo Paikannus (navigointi) (GPS, Galileo) Nopeus (GPS, Galileo) Aika (GPS, Galileo) Etsintä ja pelastus (Galileo) Kaksisuuntainen kommunikointi (Galileo) Tarkkuusmittaukset, meteorologia, ionosfääritutkimus,...(gps, Galileo) 8
GPS-satelliittien radat Satelliitteja 27-30, Radan säde 26560 km, Inklinaatio 55 Kiertoaika ½ tähtivuorokautta Helsinki keski-eurooppa GNSS:n tarkkuus 10 m 1 m Navigointi; koodi; yksi vastaanotin DGPS; koodi + tukiasema 0.1 m 0.01 m RTK; vaihehavainnot + tukiasema Staattinen; vaihehavainnot, verkko, jälkilaskenta 0.001m Pysyvät asemat; aikasarjat, muutokset 9
1 2/1/2010 Kuinka paikannus tehdään? Signaalin kulkuajan perusteella (koodietäisyys; kantoaaltoon moduloidut koodit) Laskemalla kantoaallon vaiheesta (vaihe-etäisyys) Tarvitaan vähintäin 4 satelliittia Pseudoetäisyys L ( N ) c t ion trop... N1 ion trop TEC 2 f p, T, e 10
Tärkeimmät virhelähteet Radat Ionosfääri Troposfääri Monitieheijastukset yms. ympäristötekijät Havaitsija / datan käsittelijä Ionosfääri Troposfääri X Y Z t 11
Aika ennen satelliitteja mannertenväliset mittaukset ongelmallisia ei kokonaiskuvaa maasta; muodon, massakeskipisteen,... määritys vaikeaa paikallisia verkkoja klassiset menetelmät Avaruusgeodesian menetelmät GNSS (GPS, GLONASS, Galileo ) Halpa, yleinen, koordinaatit, liikunnot, aika, Satelliittilaser (SLR) Koordinaatiston origo, satelliittien radat, liikunnot Geo-VLBI Koordinaatiston orientointi, Maan asento, skaala Painovoimasatelliitit Maan muoto, painovoimakenttä, geoidi Satelliittialtimetria Merenpinan korkeus, ajalliset muutokset 12
Avaruusgeodesian menetelmät VLBI SLR GNSS Globaalit vertausjärjestelmät BGI Maankuoren liikkeet Maannousu Maan sisärakenne Painovoimamuutokset Korkeusjärjestelmät Paikalliset koordinaatistot GNSS SLR VLBI GPS IGS SLR ILRS VLBI IVS 13
Satelliittimittaukset GPS on mullistanut geodeettiset mittaukset: Nopeus Tarkkuus Sääriippumattomuus Pasi Häkli Satelliittilaser (SLR) Metsähovissa vuodesta 1978 14
Geodeettinen VLBI kaikkein fundamentaalisin menetelmä koordinaatistojen luonnissa ja ylläpidossa Maan asento, yhteys inertiaalikoordinaatiston ja terrestrisen koordinaatiston välille v. 2004 aloitettiin geodeettiset VLBI-havainnot Metsähovissa Maan asento avaruudessa Pyörimisakselin suunta (prekessio, nutaatio, napavariaatio) Pyörimisnopeuden vaihtelut (UT1) Tarvitaan esim. GNSS-havainnoissa Geo-VLBI korvaamaton 15
Painovoimasatelliitit CHAMP 2000 Grace 2002 GOCE 2008 (?) Metsähovin geodeettinen asema Korkeuden peruspiste 2007 GPS maailmanverkossa 1991- Satelliittilaser 1978- Geodeettinen VLBI 2004- Painovoimamittaukset 1994-16
NGOS Nordic Geodetic Observing System Eri havaintomenetelmien yhdistäminen Absoluuttipainovoimapisteet (kolmiot), Pohjoismainen pysyvä GPS-verkko (kärki-kolmiot) Mareografit (ympyrät). Maailmanlaajuinen verkko: GGOS, Global Geodetic Observing System http://www.ggos.org 17
Geodesian kolme peruspilaria 18