Upload
vudang
View
221
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
GPS:n mittausmoodit ja tarkkuus
Navigointi; koodi; yksi vastaanotin
DGPS; koodi + tukiasema
RTK; vaihehavainnot + tukiasema
Staattinen; vaihehavainnot, verkko, jälkilaskenta
Pysyvät asemat; aikasarjat,muutokset
10 m
1 m
0.1 m
0.01 m
0.001m
Absoluuttinen paikannus
yksi vastaanotin
koodihavainnot
navigointi
paikannustarkkuus muutama metri
...tropion tctcL
...)( tropion tcNL
2
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 2.5.2000X
2564060
2564080
2564100
2564120
2564140
2564160
2564180
2564200
2564220
1 101 201 301 401 501 601 701 801 901Y
1486060
1486080
1486100
1486120
1486140
1486160
1486180
1486200
1486220
1 101 201 301 401 501 601 701 801 901
Z
5628760
5628800
5628840
5628880
5628920
5628960
5629000
5629040
5629080
1 101 201 301 401 501 601 701 801 901
X-Y
1486100
1486110
1486120
1486130
1486140
1486150
1486160
1486170
1486180
1486190
1486200
2564
060
2564
080
2564
100
2564
120
2564
140
2564
160
2564
180
2564
200
2564
220
Joensuu 4.5.2000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 501 1001 1501 2001 2501
[m]
X
Y
Z
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
4
Differentiaalinen paikannus
Tukiasemalla lasketaan korjaus kuhunkin satelliittiin Li
Lähetetään reaaliajassa liikkuvalle vastaanottimelle (RTCM)
Tekee kunkin satelliitin pseudo-etäisyyteen ko. suuruisen korjauksen ennen paikan laskemista
i
obs LLL
Differentiaalinen paikannus
Havaintosuure Vektorin pituus Tarkkuus
Koodipseudoetäisyys (C/A-koodi) 10 km < 5 m
500 km < 10 m
Tasoitettu koodipseudoetäisyys 10 km < 1m
500 km < 5 m
0
200
400
600
800
0 10 20 30 40
Korjauksen ikä [s]
Tu
kia
sem
an
etä
isyys [
km
]
2.5 m
2 m
1.5 m
1 m
5
kuva Digita/Fokus
Sijainti Peitto- Taajuus
alue
Porkkala (400) 59N58 / 24E23 250 293.5
Mäntyluoto (401) 61N36 / 21E28 250 287.5
Puumala (402) 61N24 / 28E14 70 290.0
Outokumpu (403) 62N41 / 29E01 70 304.5
Turku (404) 60N26 / 22E13 200 301.5
Marjaniemi (405) 65N02 / 24E34 250 314.5
Klamila (406) 60N30 / 27E26 250 287.0
Kokkola (408) 63N52 / 23E11 250 290.5
Merenkulkulaitoksen DGPS-asemat
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.
7
EGNOS
• The signal broadcast by the EGNOS satellites ARTEMIS (PRN
124) and IOR-W (PRN 126) is used for EGNOS Initial
Operations.
• The ESTB ( Egnos System Test Bed) signal is broadcast by the
Satellite Inmarsat AOR-E (PRN120)
• 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 31 of the 34 RIMS.
Reaaliaikainen kinemaattinen paikannus
Lasketaan tukiaseman ja mittauspisteen välinen suunta ja etäisyys
Yleistymässä, maanmittaussovellukset
8
Havaintoyhtälön tuntemattomat
Yksinkertainen erotushavainto nj nt 3nt + nj + nt
Kaksoiserotushavainto (nj – 1)nt 3nt + (nj – 1)
Kolmoiserotushavainto (nj – 1)(nt – 1) 3nt
nj = satelliittien lukumäärä nt = ajanhetkien lukumäärä
...)(tropion111 ABABABABABAB tcNL
...)(tropion121212 ABABABABAB NL
...)()()()( 12
trop
12
ion
12
12
12
12 ttttL ABABABAB
Kokonaistuntemattoman ratkaiseminen
Havaintojakson pituus [h]
[m]
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 6 12 18 24
reaaliluvut
kokonaisluvut
9
On-the-fly
Kokonaistuntemattomat ratkaistaan lennossa
vähintäin 5 satelliittia (usein enemmän)
Ratkaisuaika muutamasta sekunnista muutamaan minuuttiin
luvattu tarkkuus: 10 mm + 2 ppm (taso) 20 mm + 2 ppm (korkeus)
RTK
10-15 km
10-15 km
10-15 km
Tarkkuus riippuu
tukiaseman
etäisyydestä
10
Etäisyysriippuvuus
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 1 2 3 4 5 6
Etäisyys (km)
Em
piiri
nen r
.m.s
. (m
)
taso korkeus
Linear (taso) Linear (korkeus)(Bilker 2001)
Puiden vaikutus
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Avoin Häiriöt Yksittäisiä
Puita
Metsä
Em
pii
rin
en
r.m
.s.:
n k
eskia
rvo
(m
m)
dN
dE
dH
(Bilker 2001)
11
Satelliittien määrä
Initialisointiajan
keskiarvo (sek)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
5 6 7 8 9 10 11 12
Yhteisten satelliittien määrä
(Bilker 2001)
Toistettavuus
dN dE dH
Max. 32 21 36
Min. -28 -16 -31
Av. 2 -1 -3
R.m.s 12 8 15
(Bilker 2001)
dN dE dH
Max. 254 100 36
Min. -28 -16 -113
Av. 8 2 -8
R.m.s. 40 18 27
Mukana voi olla myös
epäonnistuneita havaintoja
12
Verkko-RTK; VRS
50-80 km
virtuaalitukiasema
Tarkkuus ei riipu
havaitsijan etäisyydestä
tukiasemaan;
Tukiasemien välimatkat
paljon suuremmat kuin
perinteisessä RTKssa
Useita mahdollisia
toteutustapoja, esim.
virtuaalitukiasema
(VRS, virtual reference
station)
VRSResiduaalit
tukiasemilla
Residuaali
virtuaaliasemalla Laskentakeskus
GSM soittosarja
• Tukiasemadata laskentakeskukseen; laatukontrolli, vaihekatkojen
korjaus, virhemallinnus;
• Virtuaaliasema näkyy käyttäjälle kuin todellinen RTK tukiasema
13
VRS-verkko
GPSNet.fi
kaupallinen
RTK, DGPS, jälkilaskenta
VRS tarkkuustutkimus
Tampereen alue (18 pistettä)
Etelä-Suomi (15 pistettä)
Sjökullan fotogrammetrinen testikenttä (13 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
14
Tarkkuudet ja alustusajat
Epäonnistuneet alustukset: 1,8%, 4 karkeaa virhettä Häkli 2004
n = 2152 Taso (mm) Korkeus (mm) Alustusaika (s)
RMS / keskiarvo
27 35 29
95% 43 67 132
99% 66 100 396
Etäisyys lähimpään tukiasemaan ja mittaukset verkon sisä- tai ulkopuolella
Tulosten riippuvuus etäisyydestä
lähimpään tukiasemaan:
Taso: 19mm+0.1ppm
Korkeus: 14mm+0.5ppm
Alustusaika: 11s+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, 2004
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 107km (referessiverkossa: 61km)
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)
16
Staattinen suhteellinen paikannus
Lasketaan tukiaseman ja mittauspisteen välinen suunta ja etäisyys
GPS:n tarkin moodi; geodesia, maanmittaus…
Staattinen suhteellinen paikannus
...)( tropion tcNL
...)(tropion121212 ABABABABAB NL
17
Vaihepseudoetäisyydet
l
i i
i i
i i
i i
i i
i i
i i
t t c t
t t c t
t t c t
t t c t
t t c t
t t c t
t t c
11 0
11
11
21 0
21
21
31 0
31
31
41 0
41
41
12 0
12
12
22 0
22
22
32 0
32
3
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) (
,
,
,
,
,
,
, t
t t c t
t t c t
t t c t
t t c t
t t c t
X
Y
i i
i i
i i
i i
i i
i
i
24
2 04
24
2
13 0
13
13
23 0
23
23
33 0
33
33
43 0
43
43
)
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
,
,
,
,
,
x
Z
N
N
N
N
t
t
t
i
i
i
i
i
i
i
i
1
2
3
4
1
2
3
( )
( )
( )
A
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi
11
11
11
21
21
21
31
31
31
41
41
41
12
12
12
22
22
22
3
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
(
t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
a t a t a t c
Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
Xi Yi Zi
23
23
2
42
42
42
13
13
13
23
23
23
33
33
33
43
43
43
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
Pikaratkaisut
AB
18
Havaintojakson pituus
vektorin pituus (km) havaintojakson kesto (min)
0 -- 15 5 -- 30 (pika)
5 -- 30 30 -- 90
30 -- 100 60 -- 300
> 100 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.
19
Havaintojaksojen lukumäärä
n ms o
r o
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
A B
kiinteä piste
3 1
2
4 5 6 7 A B Chav.jakso 1 1 2 3
hav.jakso 2 3 4 5
hav.jakso 3 5 6 7
hav.jakso 4 7 (5) 1
Ei näin ... vaan näin
Mutta... RTK on säteittäistä mittausta!!
Havaintopisteiden sijoittelu
1 2
Esimerkki: tielinjan mittaus;
havaintopisteet vastakkaisilla
puolilla tietä
20
Minne piste kannattaa perustaa?
Aina ei voi valita paikkaa…
mutta tämmöiseen paikkaan ei kannata mennä!!
Epäkeskisen pisteen perustaminen
Havaintopaikka
Apupiste
Mitattava piste
d1
d2
d1 > d2; lisäksi tarvitaan 2 GPS-vastaanotinta, teodoliitti ja
runsaasti lisää aikaa
21
Antennin korkeus
hvino
r
h h r hsuora vino 2 2
Mittaus kohdistuu usein antennin
reunaan; havainnot sähköiseen
keskipisteeseen ja antennin
dimensiot ilmoitetaan usein ARP:n
suhteen joka on esim. kiinnitysreikä
ARP = Antenna Reference Point
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
22
GPS:n tarkkuussovelluksia
23
Verkon mittakaava muuttuu
Amplitude vs. baseline length
y = 0.0031x + 0.2869
0
1
2
3
4
5
0 200 400 600 800 1000 1200
Baseline length [km]
Am
pli
tud
e [
pp
b]
24
Geodynamiikan tutkimus
• Maannousututkimus
• BIFROST
• GPS aikasarjat
• Maannousu-painovoimalinjat
• Absoluuttipainovoima
• Etelämannertutkimus
kuva Hannu Koivula
Paikalliset liikkeet
Olkiluoto GPS5-GPS10
y = 0.49x + a
2009489
2009490
2009491
2009492
2009493
2009494
2009495
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Time [y]
Len
gth
[m
m]
25
Nykyhetki
750 milj. v.
sitten
Euroopasta Suomeen
26
GPS, geoidi ja vaaitus
27
European Unified Vertical Network (EUVN)
Kampanjan tavoitteena
Euroopan maiden
korkeusjärjestelmien
liittäminen toisiinsa.
V. 2006 mennessä tihennys
Suomeen n. 30 pistettä
Painovoima ja geoidi
28
Painovoimakenttää mittaavat satelliitit
Meren globaalit muutokset
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 18-OCT-97 00:48 PGM / RUN BY / DATE
PERMANENT STATION AUTO OFFLOAD COMMENT
METS MARKER NAME
10503S011 MARKER NUMBER
MPA FGI OBSERVER / AGENCY
131 ROGUE SNR-8100 95.06.28 / 1.5 REC # / TYPE / VERS
125 DORNE MARGOLIN B ANT # / TYPE
2892572.4655 1311842.3941 5512635.8406 APPROX POSITION XYZ
0.0000 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N
1 1 WAVELENGTH FACT L1/2
5 C1 L1 L2 P2 P1 # / TYPES OF OBSERV
30 INTERVAL
1997 10 17 0 0 0.000000 TIME OF FIRST OBS
END OF HEADER
97 10 17 0 0 0.0000000 0 8 17 24 30 05 06 10 22 25
23279183.715 -7510542.916 9 -5852369.08542 23279184.2424
23394100.093 -9409884.440 9 -7332371.50842 23394098.4464
21948519.827 -17887825.743 9 -13938561.43243 21948518.1334
25541675.738 1171621.065 7
20403257.843 -26840663.653 9 -20914796.58745 20403256.0214
22901371.672 -2976572.849 9 -2319405.44342 22901369.9824
23182215.265 -10291869.575 9 -8019638.37342 23182213.5304
22458297.522 -16411586.306 9 -12788247.42543 22458295.5064
97 10 17 0 0 30.0000000 0 8 17 24 30 05 06 10 22 25
23258277.187 -7620404.048 9 -5937975.14542 23258277.6824
23411773.647 -9317011.547 9 -7260003.03242 23411772.3974
30
Laskenstastrategia 1-taajuusvektorin
pituus [km]
laskentastrategia kommentit
< n. 10 L1 vaihe, ratkaistaan
kokonaistuntematto-
mat.
Onnistuu yleensä aina.
10 – 30 L1 vaihe, ratkaistaan
kokonaistuntematto-
mat.
Onnistuu useimmiten, mutta vaikeuksia
aktiivisen ionosfäärin aikana.
> n. 30 L1 vaihe, ionosfääri-
malli. Ei kokonais-
tuntemattomia.
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 Kommentit
< n. 10 L1 (+ L2) vaihe, rat-
kaistaan kokonais-
tuntemattomat.
Pienin kohina, voidaan käyttää myös L2:n vaihetta, joskin
hieman kohinaisempi.
10 – 30 L1 (+ L2) vaihe, rat-
kaistaan kokonais-
tuntemattomat.
Onnistuu yleensä; aktiivisen ionosfäärin aikana voi joutua
jo L3-ratkaisuun.
> n. 30 L3 vaihe. Standardiratkaisu, lähes varma; kohinaisempi kuin L1; ei
kokonaislukuratkaisua.
> n. 30 L3 vaihe + kokonais-
lukuratkaisu.
Joudutaan laskemaan useassa vaiheessa, L5, L1+L2 +
ionosfäärimalli, aina 100–200 km saakka; MW- tai QIF-
ratkaisu jopa >1000 km saakka.
31
Residuaalit
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Epookki
jak
so
a
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Epookki
jak
so
a
Toistomittausten rajat
> a + bL ; L = vektorin pituus
komponentti a b c d
[mm] [mm/km] [mm] [mm/km]
N 10 2 8 1.5
E 6 2 5 1.5
korkeus 20 3 15 2.5
cn dL
n
L = silmukan kokonaiospituus,
n = sivujen lukumäärä
32
KaavoitusmittausohjeetSatelliittimittauksessa 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 15%.
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.