Első tapasztalatok az első GPS-mérőállomással

Első tapasztalatok az első GPS-mérőállomással Dr. Busics György NyME Geoinformatikai Főiskolai Kar (e-mail: [email protected]) Előzmények A geodéziai műszerek funkcióinak egyesítése, az ebből adódó előnyök kihasználása nem új dolog. A ma széles körben használt mérőállomás (total station) a teodolit és a távmérő egyesítéséből jött létre, amely az iránymérés és a távmérés lehetőségét biztosítja egyszerre. A GPS-technika megjelenése automatizálta a geodéziai pontosságú helymeghatározást, de az is nyilvánvalóvá vált, hogy a GPS csak korlátozottan használható, mert a műholdas jelvétel a takarásban, fedésben lévő helyeken nem biztosítható. További korlátot jelent, hogy a GPS antennát magán a mérendő ponton kell elhelyezni, ami nem mindig lehetséges. A GPS vevő mellett így a mérőállomás használatára is szükség van, a kétféle műszer és a kétféle mérési eljárás egymást kiegészítve adhat optimális megoldást. A főiskolai kar gyakorlatából példaként megemlítjük, hogy az ún. magaspontfelvezetéshez nemcsak különállóan használtunk GPS-t és teodolitot, hanem egyidejűleg is (1. ábra). A teodolit fogantyújára helyezett GPS-antenna előnye, hogy egyszeri felállással és ugyanazon időtartamban elvégezhető egy ponton az iránymérés és a GPS mérés.

1. ábra. Theo 010 teodolitra illetveTC1800 mérőállomásra helyezett régebbi (200-as) típusú Leica GPS-antennák Az alappontoktól távoleső területeken megoldandó részletmérési feladatoknál (például nyiladékok mentén haladó villanyvezeték bemérésénél) célszerű a felmérési alappontokat GPS-szel, míg a részletmérést mérőállomással végezni. A gyors statikus mérést végző GPS antenna lehet külpontosan is (2. ábra) vagy a mérőállomásra helyezve. A részletmérés és a GPS mérés egyidejűsége időmegtakarítást tesz lehetővé.

2. ábra. Mérőállomás és külpontosan elhelyezett GPS 1

Az előző példák utófeldolgozást feltételeznek, de az 1990-es évek végétől az ilyen típusú GPS mérést egyre inkább valós időben, RTK-GPS rendszerrel végzik. Az RTK mérés (Real-Time Kinematic) alatt cm-es pontosságú, valós idejű, fázismérésen alapuló pontmeghatározást értünk, amelyet az első időkben (az 1990-es évek közepén) saját bázisállomás üzemeltetésével lehetett csak végezni, ma viszont egyre inkább az ún. GNSS infrastruktúrára támaszkodva. Az RTK-GPS egyik előnye a gyorsaság, a nagyon rövid időtartamú inicializálás és mérés, ami elsősorban az új matematikai modelleknek és szoftvereknek köszönhető. Az RTK másik előnye a relatív mérés (bázisállomáshoz viszonyított kiértékelés) minőségi jellemzőinek ismerete a terepen, a mérés során. Az első RTK-GPS rendszert a Trimble cég 1994-ben hozta kereskedelmi forgalomba, akkor azt a műszerismertetőkben GPS total station-nak nevezte el. Ezzel azt kívánta jelezni, hogy ezentúl az RTK-GPS ugyanolyan feladatokra (kitűzésre és részletmérésre) vált alkalmassá, mint amilyenekre korábban csak a mérőállomás volt képes. Az új évezred küszöbén a mérőállomások és a GPS szorosabb integrációja kezdődött el. Az amerikai Trimble cég például átvette az egykori Geodiméter műszerek több újítását és megjelentette RTK rendszerét (3. ábra). Ennek újdonsága többek között a vezeték nélküli kapcsolat a GPSantenna és a vezérlő egység között. További újítás, hogy a vezérlő egység (ACU controller) leemelhető és egyszerűen áthelyezhető a TR3600 típusú mérőállomásra és ott annak billentyűzeteként és adattáraként használható. Ezzel a kétféle műszertípus közötti adatcsere és a műszerkezelés vált egyszerűbbé és egységessé, biztosított lett a zavarmentes együttműködés (interoperabilitás) a két egység között.

3. ábra. A Timble TR5600 mérőállomás és a TR5800 RTK GPS a közös, leemelhető vezérlőegységgel

4. ábra. A Leica 1200 típusú RTK GPS rendszere és mérőállomása

2

A svájci Leica cég 2004 tavaszán jelentette meg GPS1200 jelű RTK rendszerét (4. ábra). Ennek egyik újdonsága is az adatáramlás egyszerűsítése volt az RTK rendszer és egy Leica TPS1200 típusú mérőállomás között, amit fizikailag a memóriakártya (CF kártya) biztosít. Ezt a kártyát kell áthelyezni az egyik típusú műszerből a másikba, így folytatható a terepi munka. A mérőállomás és a GPS vezérlőegység kezelőfelülete, menürendszere mindkét műszertípusnál azonos, így a felhasználónak olyan „illúziója” van, mintha ugyanazt az eszközt használná (elveiben természetesen két eltérő rendszerről van szó). Ez utóbbi megoldás nagyban elősegíti azon kollégák GPSfelhassználóvá válását, akik eddig csak mérőállomást használtak és idegenkedtek a GPS technikától.

A Leica cég új integrált műszerének jellemzői

5. ábra. A Leica GPS-mérőállomás (SmartStation) A Leica cég 2005 februárjában világelsőként jelentette meg a műszer-integráció egy új fokának tekinthető GPS-mérőállomást (5. ábra), amelynek fantázianeve SmartStation. Az alapműszer egy TPS1200 típusú mérőállomás, amelynek tetején, az alhidádé-oszlopokra erősített hídon, egy RTKvevőt helyeztek el (SmartAntenna GPS). Az RTK-vevő GPS-antennát, jelfeldolgozó egységet és kommunikációs egységet egyaránt tartalmaz, kábelmentesen csatlakozik a mérőállomáshoz. A kommunikációs egység saját rádiómodem vagy távközlési szolgáltatásra alkalmas (például GSMGPRS) típusú lehet. A GPS antenna leemelhető és tartóbotra helyezve egy RTK rendszer „mozgó” vevőjeként külön is használható. Ez esetben azonban még külön GPS vevő és vezérlő egység vásárlására is szükség van. Bár a saját bázisállomás létesítésének is vannak előnyei, a GNSS infrastruktúrát akkor tudjuk igazán kihasználni, ha a permanens állomásokra, mint referenciaállomásokra támaszkodunk. A permanens állomásokhoz való csatlakozás fizikai eszköze egy mobiltelefon GPRS előfizetéssel rendelkező SIM kártyája, amit a GPS antenna alatti modembe kell behelyezni. A kommunikációs csatorna ezután az Internet lehet. Az Interneten keresztül történő rádiózás elvére alapozva, a GPS adatok, korrekciók továbbítására külön protokolt dolgoztak ki (NTRIP). Az NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) alkalmas szabványos RTCM formátumú adatok (RTCM 2.1, 2.2, 2.3, 3.0) továbbítására.

3

6. ábra. A Leica GPS-mérőállomás magyarított kezelőfelülete Az integrált műszernél a hagyományos irány- és távmérés valamint a GPS-mérés vezérlése a mérőállomás billentyűzetén keresztül, egyetlen integrált szoftverrel, egységes kezelőfelülettel történik. Az esetleges utófeldolgozás (kiolvasás, listázás) is azonos irodai szoftverrel (Leica Geomatics Office) végezhető el. Bármilyen típusú mérési adat rögzítése egyazon memóriakártyára (CF kártyára) történik, az adatbázis közös. Egyetlen akkumulátor szolgálja a mérőállomás, a GPSvevő és az RTK-kommunikáció tápellátását. Több, mint 30 féle TPS1200 típusú mérőállomás alkalmas a SmartAntenna fogadására. Az egyes mérőállomás-típusok különböznek egymástól a szögmérési- és távmérési pontosságban; a távmérés megoldásában (prizmával vagy prizma nélkül); a célkövetés és irányzás automatizáltságában (a prizma közepére való finom ráállást a műszer automatikusan, szervomotorral végzi); a kezelőfelület használatában (érintőképernyős kijelző vagy billentyűzeten történő bevitel) stb. A műszer-együttes gyári pontossági adatai az egyes méréstípusok középhibáira a következők: − iránymérés: 1-5” (többféle szögmérő egység választható); − távmérés prizmára 7,5 km-ig: 2-5 mm+2ppm (többféle távmérő egység választható); − távmérés prizma nélküli módban 500 méterig: 3-5 mm+2ppm; − relatív GPS mérés 50 km-ig vízszintes értelemben: 10 mm+1ppm; − relatív GPS mérés 50 km-ig magassági értelemben: 20 mm+1ppm. Az integrált GPS-mérőállomás előnyei a következőkben foglalhatók össze. − A műszerálláspont szabadabban választható meg, nem kell a földi alappontok láthatóságára törekedni, csak az égboltra történő szabad kilátásra. − A tisztán mérőállomással végzett technológiához képest lényegesen kevesebb alappontmérésre (például sokszögelésre) van szükség. − Nem szükséges külön RTK GPS rendszert (két vevőt) és mérőállomást beszerezni, ezeket egyetlen műszer egyesíti magában. − Az olyan feladatoknál, amelyek a GPS és a mérőállomás együttes használatával oldhatók meg, csak egyszeri pontraállás szükséges. − A műszer kezelése egységes, egyszerű. − Az adatáramás a kétféle rendszer között gyors. − A mérési időben és személyzetben megtakarítás érhető el.

4

7. ábra. A Leica GPS-mérőállomás (SmartStation) működés közben A GPS-mérőállomás esetében a kétféle műszer közül a mérőállomás kezelése az összetettebb és időben is a mérőállomással végzett munka a hosszadalmasabb. A GPS kezelése nagyon leegyszerűsödik, hiszen a teljes mérési folyamat automatizált. Ebben az írásban csak a GPS-vevő szolgáltatásaira és a GPS-szel végzett pontmeghatározásban elérhető pontosságra koncentrálunk. A GPS-vevő a GPS-mérőállomásnál arra szolgál, hogy az álláspont koordinátáit nagyon rövid idő (néhányszor tíz másodperc) alatt meghatározza. Ezt is RTK mérésnek nevezzük, bár itt természetszerűleg statikus mérésről („megállásos helyről”) van szó, amikor nem kell számolni a vevő mozgásával, ami a feldolgozási időt csökkenti. Az így meghatározott pontot nevezhetjük „GPS szabad álláspont”-nak is a mérőállomással létesített „hagyományos” szabad álláspont mintájára. A mérőállomás szabad álláspont programja esetében ismert koordinátájú földi pontokra kell elvinni a prizmát irány- és távmérés céljából, esetleg csak iránymérést végezni az adott pontra. A „GPS szabad álláspont” esetében automatikusan történik meg a műholdakra a kód- és fázismérés, de ugyanekkor venni kell egy ismert helyzetű földi ponton mérő referenciavevő adatait (vagy egy hálózat által generált korrekciókat illetve modelleket), és azokkal együtt kell a mérési eredményeket szinte azonnal (real time) kiértékelni. Geodéziai célú felhasználásnál csak olyan eredmény fogadható el, amikor a fázistöbbértelműséget egész számként sikerül meghatározni. Ilyenkor a relatív módban kiértékelt fázismérésekből rendszerint 5 cm alatti térbeli ponthiba vezethető le az új pontra. Fontos megjegyezni, hogy a SmartStation az eredeti nyers mérési eredményeket nem tárolja, a mérések ezért utólag nem ismerhetők meg és nem értékelhetők ki újra. Tárolásra kerülnek viszont a pont WGS84 rendszerű koordinátái (ezek bármilyen helyi rendszerbe később is átvihetők), a koordináta középhibák és a ponthiba, a mérés kezdő- és záró időpontja, a felhasznált referenciaállomás és annak koordinátái.

5

8. ábra. Permanens állomások kiválasztása az Ntrip forrástáblán Az ajánlott technológia Az új műszert úgy hirdetik, hogy nincs szükség alappontokra és alappontsűrítésre. Ez abban az értelemben helytálló megállapítás, hogy a szóbanforgó munkaterületen nincs szükség arra, hogy ott adott földi pontokkal rendelkezzünk, hogy ismert alappontokra végezzünk földi méréseket. A lényeget tekintve azonban a megállapítás „illúzió”, ugyanis a műszerálláspont koordinátáinak meghatározása geodéziai pontossággal – ahogyan azt már az előzőekben is kiemeltük – csak relatív GPS méréssel lehetséges, amihez felhasználjuk a környező referenciaállomás(ok) adatait. Ez lehet saját bázisállomás, de nyilvánvalóan akkor gazdaságos a munka, ha a meglévő permanens állomások adataira, a GNSS infrastruktúrára támaszkodunk. A helyi (EOV) rendszerbe való átszámítás ugyancsak feltételezi, hogy ismert koordinátájú illesztőpontokat vontunk be a számításba. Egy szokásos részletmérési vagy kitűzési feladat megoldása az integrált GPS-mérőállomással, a mai hazai körülmények között a következő technológiával végezhető. A GPS-mérőállomást a munkaterület egy olyan pontján állítjuk fel, amely GPS-mérésre alkalmas (nincs számottevő kitakarás), ugyanakkor a munkafeladat irány- és távméréssel történő megoldásához is ideális műszerálláspont lehet (a mérendő pontok jól láthatók). Meghatározzuk az álláspont koordinátáit relatív GPS méréssel. Időtartamát tekintve ez rendszerint 1 percnél nem hosszabb időtartamú GPS mérést jelent, miután mobiltelefon (SIM kártya) és Internet segítségével vettük egy permanens állomás adatait. Az ETRS89 rendszerű koordinátákat a műszerbe épített szoftver az OGPSH pontok alapján előzőleg meghatározott lokális transzformációs paraméterekkel az EOV/EOMA rendszerbe számítja át, ha ezt a lokális transzformációt rendeltük hozzá a munkaterülethez. Ezután két esetet különböztetünk meg. Az első esetben (9. ábra) feltételezzük, hogy a műszerálláspontról láthatók tájékozó irányok (eleve ezt a szempontot is figyelembe véve jelöltük ki az álláspontot). Vagyis a most már ismert koordinátájú állásponton a poláris részletmérési vagy poláris kitűzési feladat mérőállomással a szokásos módon megoldható. Elképzelhető, hogy az álláspont Balti magasságát nem GPS mérésből, hanem környező alappontokról határozzuk meg.

6

9. ábra. A mérési technológia lépései tájékozó irányok esetén. Jelmagyarázat: a): adott alappont; b): új alappont (műszerállás); c): ismeretlen részletpont; d): számított részletpont A második esetben (10. ábra) azt feltételezzük, hogy a szóbanforgó munkaterületen nem láthatók ismert pontok, vagyis a tájékozó irányok meghatározásáról is magunknak kell gondoskodni. Ilyenkor ún. pontpárokban (vagy páros pontokban) gondolkodunk, jelöljük ezeket A-val illetve Bvel. A pontpárokat úgy tűzzük ki, hogy egymással összelássanak (egymás tájékozó irányai lehessenek), ugyanakkor a GPS-mérhetőség (kitakarás-mentes égbolt) és a munkafeladat szempontjai is érvényesüljenek. A pontpár első pontja (A pont) koordinátáinak meghatározását RTK GPS-szel elvégezzük az előzőekben írtak szerinti. Ezen az A állásponton elvégezzük a részletmérést is a mérőállomással (ha részlemérés a munkafeladat), irány- és távmérést végezve a B pontra is. A méréseket tároljuk, de a végleges számítás a B pont koordinátáinak hiányában még nem végezhető el. Átállunk a B pontra, s ugyanazon műveleteket elvégezzük, mint az előző A ponton (álláspont koordináta-meghatározás, részletmérés).

10. ábra. A mérési technológia lépései A-B pontpárok létesítésekor 7

A szoftver ezután a mindkét állásponton mért részletpontok koordinátáit a szükséges koordinátarendszerben (EOV) számítani képes. Amennyiben kitűzés a munkafeladat, akkor természetesen először a tájékozó pont (A) meghatározása történik, majd a B pontról végezhető el a poláris kitűzés.

A tesztelési területek és körülmények

11. ábra. Az első munkaterület: a nadapi tesztpont (1000) az októberi mérés kezdetén Miután a főiskolai kar GPS-mérőállomással jelenleg nem rendelkezik, a Leica cég hazai képviselőjétől (Geopro Kft.) egy SmartStation műszert kértünk kölcsön tesztelésre. A tesztmérés célja kizárólag a GPS-rész (SmartAntenna) vizsgálata volt; saját tapasztalatokat kívántunk szerezni a ténylegesen elérhető pontosságra, a mérés időtartamára, a bázisállomások legnagyobb távolságára és a GPS-hálózatos működésre (network RTK) vonatkozóan. Három tesztelési munkaterületet alakítottunk ki a főiskola környékén, azaz három helyen létesítettünk az ETRS89 rendszerben nagy pontossággal ismert pontotokat. Az első terület (11. ábra) Nadapon, a szintezési főalappont feletti dombon lévő NADA jelű OGPSH keretponttól mintegy 40 méterre található. Mivel első tesztmérésünk a 2005. évi GPSMP kampánnyal egyidőben zajlott (2005. júniusában), maga a keretpont „foglalt” volt, így egy 1000-es jelű pontot határoztunk meg egész napos GPS méréssel a NADA és az SZFV jelű pontokra támaszkodva. Az 1000-es pont ETRS89 koordinátái így a NADA keretponthoz képest néhány milliméteres középhibával ismertek. Szabatos méréssel összesen 10 vizsgálati pontot határoztunk meg egy szakdolgozat keretében a félkinematikus módszer tesztelése céljából. Ugyancsak néhány milliméteres pontossággal ismert a 14-es (Lövölde) jelű második pont, amely Székesfehérváron, a Budai út-Lövölde út kereszteződésében található és iskolai gyakorlatok során hosszú időtartamú statikus méréssel lett meghatározva az SZFV permanens állomáshoz képest (12. ábra). A harmadik pont (13. ábra) a főiskola egyik tetőtéri szobájában van (száma: 317). Ennek koordinátáit ugyancsak a székesfehérvári permanens állomáshoz képest, mintegy 10 órás mérésből határoztuk meg. A vizsgálatba azért vontuk be, hogy a zavart, takarásos helyen való mérés lehetőségét teszteljük.

8

12. ábra. A második munkaterület: a Lövölde úti teszpont (14) az októberi mérés kezdetén

13. ábra. A SmartStation a tetőtéri 317-es szobában, mint a harmadik „munkaterületen” A tesztmérésre két alkalommal, 2005. június 22-23. és október 5-7. között került sor. Megjegyzendő, hogy a hazai GNSS infrastruktúra kialakítása még javában tartott ebben az időszakban, a GPS mérések háttér-körülményei folyamatosan változtak. 2005 augusztusában vált véglegessé például a Budapest környéki sűrűbb permanens hálózat, az állomások sorába belépett Tata, Monor és Jászberény (14. ábra). A penci Kozmikus Geodéziai Obszervatóriumban, mint a permanens állomások alkotta hálózat feldolgozó központjában 2005. őszén történt az újabb szoftverek telepítése és különböző módú konfigurálása. Csak röviden említjük meg, hogy 2005. őszén tesztelési céllal egyidőben háromféle szoftverrel történt RTK RTCM korrekciók továbbítása Pencről, amelyek kipróbálására nekünk is lehetőségünk volt. E három lehetőség a következő:

9

1. Az ún. hagyományos korrekciók állomásonként külön-külön (single base) voltak letölthetők egy NTRIP szerverről, RTCM 2.3. formátumban. A SmartStation műszer kijelzőjén ilyenkor egy listáról lehetett kiválasztani azt az állomást, amelynek adatait fel akartuk használni. 2. A német Geo++ cég által kidolgozott GNSMART szoftver több permanens állomás adataiból ún. hálózati megoldásokat generál. Az egyik megoldás a németek által kezdeményezett FKP (Flächenkorrekturparameter), a másik megoldás a Trimble műszereknél elterjedt VRS (Virtual Reference Station), amelyeket később részletezünk. 3. A svájci Leica cég SpiderNET nevű szoftvere ugyancsak hálózati típusú megoldást ad. A koncepció rövidítése MAC (Master Auxilary Concept), amelynek több változata van.

14. ábra. A magyar aktív hálózat a 2005. október 7-i állapot szerint. (forrás: www.gpsnet.hu) A tesztmérés során tehát a Leica SmartStation műszert ismert helyzetű ponton állítottuk fel. A pontraállást nagy gondossággal végeztük optikai vetítővel, illetve lézervetítővel. A műszermagasságot is szélső pontossággal igyekeztünk megmérni, ezért a műszertalpba előbb egy Wild-csúcsot helyeztünk, aminek segítségével kampós szalaggal a magasság mm pontossággal mérhető majd egy összeadóállandóval korrigálható (ellenőrzésre a közvetlen leolvasást használtuk). Az egyes napok és helyszínek adatait külön munka-állományokban rögzítettük, mindegyikhez ugyanazt a helyi koordináta-rendszert (pontosabban a Nadap körüli 6 OGPSH pont alapján végrehajtott térbeli hasonlósági transzformáció paraméterkészletét) hozzárendelve. A tesztpontok adott WGS84 koordinátáit természetesen ugyanilyen paraméterekkel számítottuk át. Ezzel az volt a célunk, hogy a végeredményt síkbeli koordináták és transzformált magasságok formájában lássuk (EOV/EOMA rendszerben), elkülöníthető legyen a vízszintes és magassági meghatározás. Hangsúlyozni szükséges azonban, hogy ez csupán megjelenítési forma, a tényleges mérés és a teszteredmény a WGS84 (ETRS89) rendszerre vonatkozik. Ily módon – bár a koordináták EOV/EOMA rendszerben jelennek meg – a mi mérésünk végeredményét nem terheli transzformációs hiba, szemben a valóságos helyzettel, ahol a transzformáció hibájával is számolni kell. Három konfigurációs állományt hoztunk létre, hogy a különböző szerverekhez tartozó beállítási paramétereket elmentsük és a terepi kiválasztásuk gyors legyen. A penci központ szervereihez a kapcsolatot Interneten keresztül, egy GPRS-adattovábbításra alkalmas SIM kártya behelyezésével biztosítottuk. A csatlakozáshoz szükség volt felhasználói névre és jelszóra amit a penci kollégák a tesztméréshez megadtak.

10

Ezután kiválasztottuk a vizsgálni kívánt konfigurációt, elindítottuk a mérőállomás főmenüjében szereplő „GPS mérés” programot, beírtuk a pont-azonosítót és a műszermagasságot (ezt a műszer egyébként megőrizte). Először (referenciállomáshoz való csatlakozás nélkül) magányos vevőként működik a műszer (single point positioning), a kijelzőn megjelenik az abszolút helymeghatározás térbeli ponthibája (P), ami 5-10 méter körüli érték (15. ábra). Egy gomb megnyomásával (a tényleges korrekcióvétel és a relatív real-time feldolgozás indításával) kezdődik „a mérés”. Amint kapcsolódtunk egy permanens állomáshoz és arról a kódmérés felhasználásra került, a ponthiba néhány deciméter körüli értékre csökken, ez rendszerint 10 másodpercen belül megtörténik.

15. ábra. A helymeghastározás ponthibája először 4,86 méter, majd 9 másodperc elteltével, a penci kódmérési adatok feldolgozása után 0,4 méterre csökken. Ha sikerül a fázis többértelműséget feloldani, a ponthiba többnyire 5 centiméter alatti lesz s ez a megoldás geodéziai célra is elfogadható. Az 5 cm-es ponthibát (ami hibahatárként lett beállítva) az esetek döntő részében 30 másodpercen belül elértük (16. ábra), ezért leállítottuk „a mérést”, tároltuk az eredményt, lekapcsolódtunk a központi szerverről majd ugyanilyen konfigurációs beállítással újra kezdtük a mérést. Az ismételések száma 3 vagy 10 volt, ez jelentett egy mérési sorozatot (s=3, vagy s=10). Ezután más konfigurációs beállítással folytattuk a tesztelést. Amennyiben a ponthiba 30 másodpercen belül nem csökkent 5 cm alá, úgy 1 percet vártunk (legfeljebb azonban 2 percet), s ha így sem kaptunk „jó” értéket, az eredményt akkor is tároltuk. Ez esetben a kódmérésből kapott eredményt tároltuk, amit tájékoztató jelleggel kívánunk csak bemutatni.

16. ábra. 12 másodperc elteltével a ponthiba 5 cm alá csökkent Nadapon a penci permanens állomás mérési adatainak letöltése után… 11

A következőkben csak az október 5-i nadapi mérés (1000 pont), az október 7-i Lövölde úti mérés (14 pont) és szoba-mérés (317 pont) eredményeit mutatjuk be, külön kezelve az egyedi rerefrenciapontoktól és a hálózatos verzióban kapott értékeket.

Az RTK-GPS mérés pontosságának vizsgálata egyedi permanens állomások esetében A SmartStation GPS-mérőállomással végzett mérések végeztével a tárolt adatokat (koordinátákat és középhibákat) kiolvastuk a memóriakártyáról, az LGO szoftverbe való bevitel után koordinátajegyzékeket exportáltunk, majd azokat Excel táblázatba rendeztük, az egyes mérési sorozatokat közepeltük (a mérési sorozatok szórása mm-es nagyságrendű volt), végül csoportosítottuk aszerint, hogy egyedi (single base) vagy hálózati (network RTK) típusú konfiguráció volt-e beállítva. Az egyedi permanens állomásokhoz (mint adott pontokhoz) kapcsolódó mérések összesített, áttekintő jellegű végeredményeit munkaterületenként (teszt-pontonként) sorban az 1. 2. 3. táblázatok tartalmazzák. A táblázatokba az időadatok helyhiány miatt nem kerülhettek be, ezért meg kell jegyezni, hogy az első sorozatokra a napfelkelte utáni órában került sor (az ionoszférikus hatás ekkor feltehetően kisebb és ebben az időben jó DOP érték mellett, 9-8 holdat lehetett észlelni), míg a déli órákban a méréseket megismételtük, itt általában 6-7 hold volt észlelhető (ezek szerepelnek a táblázatok alján). Először a legközelebbi permanens állomáshoz kapcsolódtunk, majd a földrajzilag távolabbiak következtek, s mindezt félnapos késéssel megismételtük. A munkaterületek körüli permanens állomások földrajzi elhelyezkedését a 17. ábrán látható térképvázlat, illetve a 18. ábrán látható képernyőkép szemlélteti.

17. ábra. A nadapi pont körül elhelyezkedő permanens állomások. A kör sugara 50 km. A gyári adatok szerint csak 50 km-en belül számíthatunk cm pontosságú koordinátákra, a terepi mérések ennél lényegesen nagyobb bázistávolságnál is eredményesek voltak.

12

18. ábra. A fehérvári 14-es pontot meghatározásában részt vevő permanens állomások vázlata az LGO szovftverben. Az állomások itt ideiglenes pontszámmal szerepelnek. A táblázatok baloldalán a műszerbe épített szoftver által a helyszínen kijelzett középhibákat illetve térbeli ponthibát tüntettük fel (ez alapján fogadható el a mérés eredménye). A táblázatok jobb oldala a tesztpont nagy pontossággal ismert koordinátái és az RTK GPS-szel mért koordináták eltérését tartalmazza, kiemelve a lineáris eltérést és a magassági eltérést. Ha az első két táblázatot nézzük, megállapítható, hogy a műszer által jelzett belső középhibák a valóságos állapotnak megfelelő adatokat tartalmaznak. Megállapítható az is, hogy a vízszintes koordináták pontossága megfelel a gyári adatokban szereplő értékeknek. Meglepően jó eredményeket kaptunk a „távoli”, permanens állomásoktól is (a „távoli” jelző ezúttal az 50 km-nél messzebb lévő referenciaállomásokat jelenti). A nadapi pontra nemcsak az SZFV, TATA, BUTE állomásokról, hanem a közel 100 km-re lévő MONO és PENC állomásokról is 2 cm-es lineáris eltéréssel kaptunk vízszintes koordinátákat. (A kaposvári állomás ezen a napon nem üzemelt, így arra nem tudtunk kapcsolódni). A székesfehérvári Lövölde úti 14-es pontra szintén meglepően jó eredményeket kaptunk a közel 100 km-re lévő kaposvári és győri permanens állomáshoz képest. 1. táblázat Nadap (1000 pont, 2005. 10. 05.) egyedi permanens állomásokhoz kapcsolódva permanens állomás

sorozat

ref SZFV TATA BUTE PENC MONO SZFV TATA BUTE PENC MONO

s 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

műszer által jelzett értékek középhibák

my 0,014 0,014 0,013 0,014 0,013 0,012 0,011 0,011 0,013 0,011

mx 0,016 0,017 0,016 0,017 0,016 0,022 0,022 0,023 0,030 0,028

mM 0,032 0,033 0,030 0,032 0,030 0,039 0,042 0,049 0,072 0,071

tényleges eltérések az ismert pontnál

ponthiba

K-Ny-i

É-D-i

P 0,038 0,040 0,036 0,039 0,036 0,047 0,049 0,055 0,079 0,077

dy -0,011 -0,011 -0,020 -0,022 -0,010 -0,009 -0,009 -0,029 -0,013 -0,017

dx -0,007 -0,003 0,006 0,004 -0,010 0,005 -0,007 -0,018 -0,018 -0,007

13

lineáris magassági

dl 0,013 0,011 0,020 0,023 0,014 0,011 0,012 0,034 0,023 0,019

dM 0,114 0,004 -0,011 -0,015 -0,038 0,097 -0,062 -0,048 -0,032 -0,033

2. táblázat Lövölde (14 pont, 2005. 10. 07.) egyedi permanens állomásokhoz kapcsolódva permanens állomás

sorozat

ref SZFV BUTE TATA SZFV TATA BUTE GYFI KAPO SZFV TATA BUTE SZFV

s 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3


my 0,004 0,017 0,015 0,005 0,017 0,015 0,021 0,016 0,004 0,014 0,016 0,005

mx 0,004 0,020 0,018 0,007 0,021 0,018 0,026 0,019 0,006 0,020 0,020 0,007

mM 0,010 0,042 0,034 0,012 0,040 0,034 0,051 0,038 0,011 0,037 0,041 0,021


ponthiba

K-Ny-i

É-D-i

P 0,011 0,050 0,042 0,015 0,048 0,041 0,061 0,045 0,013 0,044 0,048 0,023

dy 0,000 -0,019 -0,005 0,008 -0,004 -0,003 -0,009 -0,014 0,012 -0,008 -0,009 0,003

dx 0,001 0,006 -0,004 -0,011 -0,026 -0,020 -0,003 -0,024 -0,014 -0,005 -0,004 -0,001


dl 0,002 0,020 0,008 0,014 0,027 0,020 0,010 0,028 0,018 0,010 0,011 0,003

dM 0,061 -0,084 -0,080 0,072 -0,051 -0,034 -0,066 -0,133 0,059 -0,053 -0,082 0,081

A magassági értelmű eltéréseket vizsgálva nem ilyen szép a kép, az eltérések szabályos hibára utalnak, a legnagyobb eltérés éppen az SZFV pontra vonatkozó eredményt érinti, éppen arra a pontra, amely a teszt-pontok meghatározásában is szerepet játszott. A hiba okát kutatva megnéztük, hogy a méréskor a permanens állomásokra vonatkozóan milyen koordinátákat használt fel a szoftver. Azt tapasztaltuk, hogy az eltérő konfigurációknál a permanens állomások koordinátái ugyan helyesen lettek beírva, de ezek a koordináták többnyire a pillér tetejére vonatkoznak, így külön kellene kezelni a fáziscentrumra vonatkozó külpontossági értékeket, mégpedig eltérően a két frekvencián. Mivel a permanens állomáson működő szoftver valamilyen oknál fogva nem továbbította az antenna típus adatait, az SZFV pont magassága változóan 79 mm eltéréssel került be a real-time számításba, amely érték éppen a honlapon is megadott antenna-alj és fáziscentrum közötti távolságnak felel meg. (Itt megjegyzendő, hogy a teszt-pontok számításánál mi ezt az értéket L1-en 78,8 mm-nek, L2-n 94,3 mm-nek vettük, ugyanis így veszi automatikusan figyelembe a Leica feldolgozó szoftver). A magassági eltérések tehát további tisztázást érdemelnek. A 3. táblázat kevés sort tartalmaz, ugyanis csak a fehérvári állomásra tudtunk sikeresen csatlakozni, itt is gyenge eredményeket kaptunk. A kérdéses időpontban csak 4 (esetleg 5) hold volt észlelhető a tetőtéri ablakban, ez adja a magyarázatot. 3. táblázat Szoba (317 pont, 2005. 10. 07.) egyedi permanens állomásokhoz kapcsolódva permanens állomás

sorozat

ref SZFV SZFV SZFV

s 3 3 3


my mx mM 0,009 0,016 0,051 0,006 0,013 0,033 0,007 0,010 0,014

ponthiba

tényleges eltérések az ismert pontnál K-Ny-i

É-D-i

P dy dx 0,055 -0,016 0,018 0,036 -0,019 0,026 0,019 -0,036 0,036 14


dl 0,024 0,032 0,051

dM 0,126 0,093 0,031

Az RTK-GPS mérés pontosságának vizsgálata hálózati megoldásoknál A hálózati megoldás (network RTK), vagyis az a lehetőség, hogy nemcsak egy permanens állomás adatait vesszük figyelembe a mérés kiértékelésénél, hanem a felhasználó műszere (a rover) közelében található többi állomás mérési eredményeit illetve korrekcióit is, mindenképpen figyelemreméltó előnyöket jelent. A légkör, a műholdpálya hibái (referencia-rover között) távolságfüggő hatásúak, modellezhetők, így javulhat a pontosság vagy ugyanolyan pontosság mellett nőhet a bázistávolság, kevesebb állomással fedhető le egy nagyobb terület (ország). Mivel két szerveren, különböző koncepciók szerint kerültek sugárzásra hálózati korrekciókat tartalmazó adatok, amelyeket volt alkalmunk kipróbálni, röviden megadjuk a 4-7. táblázatokban szereplő jelölések magyarázatát. VRS (Virtual Reference Station – virtuális referenciaállomás). A rover először megküldi a központnak a pillanatnyi közelítő földrajzi koordinátáit, a központi szoftver a rover környezetében lévő permanens állomások adataiból erre a rover földrajzi helyzetre, mint virtuális referenciára generál korrekciókat. A rovernél tehát egy nagyon rövid vektor kiértékelése történik. Kétoldalú kapcsolat szükséges az egyes vevők és a feldolgozó központ között. A mozgó vevők száma GSMkapcsolat esetén korlátozott, Internetes kapcsolatnál nem. FKP (Flächenkorrekturparameter – korrekciófelületi paraméterek). A feldolgozó központ egy kiválasztott referenciaállomás nyers mérési adatait és az ezen állomás körüli ún. korrekciós felület ionoszféra-mentes és ionoszférikus paramétereit továbbítja. A korrekciós paraméterek formátumát beépítették az RTCM 2.3 szabványba (59. üzenet) és a német SAPOS aktív hálózatban alkalmazzák kiterjedten. A rover az ismert elsőfokú polinomba behelyettesíti az RTCM korrekciókban kapott FKP-összetevőket, valamint a saját és a referenciaállomás koordinátáit, ebből az L1 és L2 frekvenciákra távolságfüggő hibákat számol. MAC (Master Auxilary Concept – fő- és segédállomás koncepció). A Leica cég koncepciója, amelyet a SpiderNET szoftver alkalmaz. Lényege szerint van egy kinevezett főállomás (master), míg a többi állomás segédállomásnak minősül (auxiliary stations). Ennek előnye, hogy csak a főállomás nyers mérési adatait kell teljes értékűen továbbítani, a segédállomásoknak csak a főállomásra vonatkozó adatok különbségei kerülnek továbbításra, így az adatforgalom kisebb és nem feltétlenül szükséges a kiegészítő állomásokra vonatkozó adatokat is ugyanolyan (1Hz) gyakorisággal küldeni, kevesebb adatra (kisebb sávszélességű kommunikációs csatornára) van szükség. A rover-nél tehát visszaállítható több környező permanens állomás nyers mérési adata, így a vektor-feldolgozás több állomás alapján, kiegyenlítéssel történhet. A MAC az eljárás rövidített neve, amelynek a Leica-féle megvalósulása a MAX eljárás. MAX (Master Auxilary Corrections) a korrekciós üzenet elnevezése a Leica koncepcióban. A teljes, nagy kiterjedésű hálózatot hálózat-részekre, ún. cellákra osztják. A felhasználónak megfelelő cella (vagyis a környező permanens állomások) kiválasztása lehet egyedi (single cell) vagy automatikus. Ez utóbbi esetben a teljes hálózatot a feldolgozó központban működő szoftver osztja automatikusan cellákra (automatic cell), minden cellában kialakít egy master-állomást, így optimalizálható az adatforgalom. Az automatikus cellaválasztáshoz kétirányú kapcsolat szükséges a rover és a vezérlő központ között. A Leica kezdeményezte, hogy a következő RTCM szabvány tartalmazza a MAX üzenettípusokat is, ez lenne az újabb RTCM 3.0 formátum. Azok a régebbi műszerek illetve más szoftverek, amelyek ezt nem ismerik, a hagyományos RTCM 2.3-as korrekciót kapják, mintha csak egyetlen referenciaállomás adataira támaszkodnának, de valójában a hálózatos elvet alkalmazzák. Ez az i-MAX koncepció (Individualized Master-Auxiliary Corrections). Ennek megfelelően a változatok: SCI: Single Cell corrections i-MAX ACI: Automatic Cell corrections i-MAX ACM: Automatic Cell corrections MAX SCM: Single Cell corrections MAX 15

Amennyiben a SpiderNET szerverhez csatlakoztunk, a SmartStation képernyőjén a fenti lehetőségeknek megfelelő lista jelent meg. Volt még egy további lehetőség is, a legközelebbi (nearest) permanens állomás automatikus választása (KÖZEL, KOZ). Ennek a mi esetünkben nincs jelentősége, hiszen ismerjük földrajzi környezetünket, tudjuk, melyik állomás a legközelebbi, de ismeretlen helyen a legközelebbi állomás automatikus kiválasztása előnyös lehet. Ugyancsak előnyös ez a lehetőség, ha nem álló helyzetű vevőről van szó (mint a Smart Station), hanem nagy területen ténylegesen mozgó vevőről, például gépkocsira vagy repülőgépre szerelt vevőről. Ha áttekintjük a hálózatos megoldással (network RTK) kapott eredményeket, azt látjuk, hogy valóban kisebbek lettek az eltérések az egyedi állomásos (single base) megoldáshoz képest. 4. táblázat Nadap (1000 pont, 2005. 10. 05.) GPS hálózatos megoldással Hálózati megoldás típusa

SCI KÖZEL FKP VRS IMAX SCI

sorozat

s 10 10 10 10 1 1


my 0,015 0,013 0,014 0,019 0,012 0,011

mx 0,019 0,018 0,026 0,026 0,020 0,019

mM 0,035 0,034 0,041 0,058 0,033 0,036


ponthiba

K-Ny-i

É-D-i

P 0,042 0,040 0,050 0,066 0,041 0,042

dy -0,017 -0,007 0,000 -0,006 -0,010 -0,017

dx 0,000 0,003 0,000 -0,001 0,000 -0,011


dl 0,017 0,009 0,005 0,010 0,010 0,020

dM 0,007 0,033 0,037 0,035 -0,018 -0,031 5. táblázat

Lövölde (14 pont, 2005. 10. 07.) GPS hálózatos megoldással Hálózati megoldás típusa

FKP VRS KÖZEL ACI FKP VRS ACM ACI SCI FKP

sorozat

S 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3


my 0,006 0,004 0,004 0,004 0,006 0,006 0,004 0,005 0,013 0,007

mx 0,009 0,007 0,007 0,009 0,009 0,008 0,006 0,006 0,016 0,009

ponthiba

mM 0,017 0,014 0,011 0,013 0,016 0,014 0,013 0,016 0,046 0,024


É-D-i

P dy dx 0,020 0,005 0,001 0,016 0,002 0,001 0,014 0,004 0,000 0,016 0,005 -0,004 0,019 0,004 -0,008 0,017 0,006 -0,005 0,014 0,004 -0,007 0,018 0,001 -0,002 0,051 -0,006 -0,004 0,027 0,004 -0,007


dl 0,005 0,003 0,004 0,006 0,009 0,008 0,008 0,004 0,008 0,008

dM 0,052 0,044 -0,018 -0,016 0,060 0,061 0,000 -0,008 -0,008 0,062 6. táblázat

Szoba (317 pont, 2005. 10. 07.) GPS hálózatos megoldással Hálózati megoldás típusa

KÖZELI ACI

sorozat

s 2 1


my mx mM 0,010 0,011 0,022 0,008 0,012 0,019

ponthiba


É-D-i

P dy dx 0,027 -0,019 0,029 0,025 -0,020 0,028

16


dl 0,035 0,034

dM -0,014 -0,018

Az összes sikertelen próbálkozást a 7. táblázatban foglaltuk össze, csupán azt jelezve, hogy kódméréssel milyen pontosság érhető el. 7. táblázat Kódmérésből (sikertelen megoldásokból) kapott eredmények tájékoztató jelleggel ref s my mx mM P dy dx dl dM KECS SCI ACI

1 1 1

0,144 0,055 0,057

PENC1 PENC2 PENC3 MO1 MO2 MO3 PE1 MO1 PE1 GY1 KE1 KA1 ACI_V3_2 ACI_V3_3 ACI_V3_4 ACI_V3_5 ACI_V3_6 ACI*V300 ACI*V3.1 ACI*V3.2 SCM-1 SCM-2 SCM-3

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0,130 0,128 0,111 0,121 0,128 0,130 0,069 0,128 0,124 0,143 0,091 0,144 0,095 0,081 0,210 0,281 0,315 0,204 0,142 0,252 0,147 0,305 0,310

SZ1 SZ2 SZ3 SCI1 SCI1 KOZ2 KOZ3 ACI2 ACI3 ACI1 ACI2 SZ1

SZ1 SZ2 SZ3 SCI1 SCI1 KOZ2 KOZ3 ACI2 ACI3 ACI1 ACI2 SZ1

0,234 0,179 0,159 0,179 0,225 0,041 0,474 0,248 0,192 0,104 0,272 0,171

Nadap (1000) teszt-ponton 0,177 0,336 0,406 -0,034 0,071 0,143 0,168 -0,024 0,117 0,155 0,202 -0,029 Lövölde (14) teszt-ponton 0,156 0,317 0,376 0,005 0,154 0,306 0,366 -0,019 0,135 0,265 0,318 -0,030 0,149 0,285 0,344 0,000 0,159 0,300 0,363 0,051 0,161 0,303 0,367 0,117 0,086 0,161 0,195 -0,058 0,161 0,298 0,362 -0,049 0,165 0,311 0,373 -0,014 0,175 0,402 0,462 0,025 0,116 0,254 0,293 -0,076 0,189 0,398 0,464 0,059 0,259 0,276 0,391 -0,079 0,230 0,239 0,342 0,090 0,349 0,553 0,687 0,633 0,465 0,721 0,902 -0,764 0,521 0,809 1,012 -0,514 0,502 0,602 0,810 0,054 0,227 0,373 0,459 -0,022 0,400 0,652 0,805 -0,191 0,228 0,396 0,480 -0,139 0,471 0,782 0,963 0,355 0,475 0,791 0,973 -0,158 Tetőtéri szobában (317) teszt-ponton 0,279 1,008 1,072 -0,141 0,225 0,807 0,857 -0,103 0,220 0,776 0,822 -0,024 0,302 0,891 0,957 0,201 0,393 0,992 1,091 0,719 0,068 0,158 0,177 -0,029 0,506 1,035 1,246 -0,132 0,370 0,529 0,692 0,143 0,281 0,392 0,520 0,163 0,192 0,228 0,316 0,042 0,359 0,405 0,606 -0,334 0,301 0,365 0,503 0,081

17

0,009 0,045 -0,072

0,035 0,051 0,078

-0,120 0,023 0,043

-0,105 -0,119 -0,062 -0,062 -0,143 -0,208 -0,129 -0,026 -0,073 -0,044 -0,017 -0,068 -0,009 0,038 -0,369 -1,813 -1,927 0,564 0,335 0,747 -0,307 1,089 1,593

0,105 0,121 0,069 0,062 0,152 0,239 0,141 0,055 0,074 0,051 0,078 0,090 0,080 0,098 0,733 1,967 1,994 0,567 0,336 0,771 0,337 1,145 1,601

-0,280 -0,303 -0,237 0,058 0,025 0,032 -0,042 0,115 -0,041 -0,054 -0,144 -0,221 -0,092 0,083 0,858 -1,546 0,976 0,055 0,306 0,259 0,029 -2,411 -1,873

0,258 0,062 -0,136 -0,378 -0,958 0,042 0,334 0,062 -0,065 -0,268 -0,038 0,065

0,294 0,120 0,138 0,428 1,198 0,051 0,359 0,156 0,175 0,271 0,336 0,104

-0,586 0,528 1,182 1,692 3,054 0,017 0,366 0,950 0,769 0,113 -0,006 0,750

Javaslatok A SmartStation saját kipróbálása hasznos tapasztalatokkal járt, megerősítette a gyári pontossági adatokat. Valóban arról lehet beszélni, hogy a nagy pontosságú helymeghatározás újabb korszaka következik, amikor egyszerű módon, rövid idő alatt, gazdaságosan oldhatók meg felmérési és kitűzési geodéziai alapfeladatok (a műszer ára és a hazai bérszínvonal valamint gazdasági helyzet összefüggése természetesen külön kérdés). Az RTK GPS, különösen pedig a hálózati RTK (network RTK) szélesebb körű elterjedése (amibe a GPS-mérőállomás is sorolható) nemcsak a műszer használatával, hanem az egész hazai GNSS infrastruktúra kiépítésével kapcsolatban is felvet a jövőben megoldandó kérdéseket. 1. Az OGPSH mellett a permanens állomások alkotta hazai aktív hálózat valósítja meg Magyarországon a gyakorlatban az európai vonatkoztatási rendszerhez (ETRS89) igazodó térbeli vonatkoztatási rendszert. E hálózat pontjainak koordinátáit az elérhető szélső pontossággal kell meghatározni. Fontos, hogy az adott pontok (permanens állomások) koordinátáit ne terheljék néhány milliméternél nagyobb kerethibák. Ezt indokolja az RTK GPS technikával ma elérhető (ebben a tanulmányban is alátámasztott) cm-es pontosság. 2. A permanens állomások hálózata nem lehet csak egyetlen országra kiterjedő, hanem országokat átfogó, nagyobb régióra kell kiterjednie. Gondoljunk az országhatár mentén méréseket végző kollégákra. Vagyis a hazai feldolgozó központból (Pencről) nemcsak a hazai hálózat adatait kellene tudni letölteni real-time, hanem a szomszédos országokét is és viszont… 3. Az előbbi igényből következik, hogy az OGPSH esetében mielőbb át kellene térni az OGPSH1995 rendszerről az OGPSH2002 rendszerre. Bár az áttérés zökkenőkkel is járhat, mégis fel kell vállalni… 4. A permanens állomások adatait (koordinátáit, antenna-magasságait), a bevitel és ellenőrzés módját, rendszerét újra kell gondolni és szabályozni… 5. A permanens állomáshálózat biztonságos működtetéséhez – a hét minden napján, a napi 24 órás rendelkezésre álláshoz (24/7) – valószínűleg tartalék műszerekre és egységekre is szükség lesz (mint Németországban), valamint karbantartó személyzetre… 6. Ahogyan a MAC koncepció szerint a hálózati RTK működés szoftveresen automatizálható (és erre szükség is van), ugyanúgy a GPS-EOV transzformáció is az egész országra automatizálható, felváltva a lokális paraméter-készletek alkalmazását (erre a jövőben feltehetően szükség is lesz). A megoldásra Németországban létezik szoftver, de a hazai kidolgozásról sem szabadna lemondani… 7. A hálózati megoldások igazi tesztelését nagyobb területet lefedő kinematikus útvonalméréssel lehetne megoldani (erre a GPS-mérőállomás természetszerűleg nem alkalmas, de gépkocsira szerelhető RTK vevők igen), ezt a mérést több vevővel és különböző konfigurációkkal érdemes lenne elvégezni… 8. Az RTK GPS-szel meghatározott alappontok és részletpontok technológiai szakmai szabályozása továbbra is megoldandó kérdés. Külön problémaként jelentkezik a SmartStation esetében, hogy ha nincsenek eredeti nyers mérési adatok, mikor és hogyan fogadható el a műszerből kiolvasott eredmény… Székesfehérvár, 2005. november A szerző ezúton is megköszöni a Geopro Kft. és a FÖMI KGO munkatársainak szíves segítségét.

18

Első tapasztalatok az első GPS-mérőállomással

Recommend Documents