GPS: een overzicht techniek, methoden en toepassingen Jeroen Zomerdijk LNR Globalcom 19 maart 2002 Hogeschool van Utrecht Opleiding Geodesie
Inhoudsopgave q q q q q q
1 2 3 4 5 6
GPS: de Techniek Meetmethoden Verstoringen Toepassingen Modernisatie: GPS, Galileo, Glonass Demonstratie GIS-GPS en geodetische ontvanger
GPS: de techniek q
Plaatsbepaling zoals het vroeger was: insnijding naar bekende punten
GPS: de techniek q
Moderne Plaatsbepaling: insnijding naar bekende punten
GPS: de techniek Vroeger q Richting, afstand
Heden q Looptijdmeting, tijdsverschil * lichtsnelheid = afstand
q q
Platte vlak, 2-d Resultaat door toepassen van; correcties, modellen en vereffening
q q
Bol, 3-d Resultaat door toepassen van; correcties, modellen en vereffening
GPS: de techniek q q q
Ruimte segment Controle segment Gebruikers segment
GPS: de techniek
Ruimte segment q
q
q
24 Satellieten q 4 satellieten in 6 banen met inclinatiehoek 55 graden 20200 Km boven aarde
q q
12 uur banen q In zicht voor 4-5 uren ontwikkeld levensduur 7.5 jaar verschillend ontwerp q Block 1, 2, 2A, 2R & 2 F
55
Equator
GPS: de techniek Controle segment q Master Control Station q Verantwoordelijk voor data tracking inwinning van de monitoring stations en berekening van satelliet banen en klok parameters q 5 Monitoring Stations q Verantwoordelijk voor pseudorange data meting. Dit tracking netwerk wordt gebruikt voor bepaling van de broadcast efemeris en satelliet klok modellering. q Grond Control Stations q Verantwoordelijk voor overdracht van informatie naar de satellieten
GPS: de techniek Gebruikers segment
GPS: de techniek GPS signaal q q
Elke GPS satelliet zendt een aantal signalen uit Het signaal bestaat uit twee draaggolven (L1 en L2) en twee codes (C/A op L1 en P(Y) op zowel L1 en L2) en mede satelliet baan informatie.
Basis Basis Frekwentie Frekwentie 10.23 10.23MHz MHz x 154 x 120
50 50BPS BPS
÷ 10 L1 C/A L1 C/ACode Code 1575.42 MHz 1.023 MHz 1575.42 MHz 1.023MHz
PP(Y)-Code (Y)-Code 10.23 10.23MHz MHz
L2 L2 1227.60 1227.60MHz MHz
PP(Y)-Code (Y)-Code 10.23 10.23MHz MHz
Satelliet Satellietinformatie informatie(Almanak (Almanak&&Efemeris) Efemeris)
GPS: de techniek PseudoAfstand bepaling door Code waarnemingen q
Ontvangen Code van Satelliet
PseudoAfstand (Code) q
q
q
q
Elke satelliet zendt een uniek signaal uit, met een herhalingsinterval van +/- 1 msec Ontvanger vergelijkt eigen gegenereerd signaal met ontvangen signaal Het tijdsverschil (dT) is een afstand waarneming en wordt bepaald Ontvanger klok moet gesynchroniseerd worden met satelliet klok
D = V (DT)
Gegenereerde Code van ontvanger
DT
GPS: de techniek
Afstand bepaling met fase waarnemingen q
Ontvangen Satelliet Fase
Fase Waarnemigen q
q
q
q
Golflengte van het L1 signaal is 19 cm en 24 cm van L2 Ontvanger vergelijkt eigen gegenereerde fase met ontvange fase Aantal golflengten is niet bekend op het tijdstip waarop de ontvanger aangezet wordt (draaggolf fase meerduidigheid) Zolang de satelliet gevolgd wordt; is de verandering van afstand bekend (de draaggolf fase meerduidigheid blijft constant)
D = c DT + lN
Gegenereerde Fase van Ontvanger
DT
GPS: de techniek Coordinaat systemen: Ellipsoide en Geoide • • • • •
WGS84 en Bessel 3-D transformatie, Projectie Geoide Sluitvectoren ETRS89-RD
N
N
Topografie
N. Amerika
Europa
O1 O2 Z. Amerika
Afrika
GPS: de techniek Hoogte h = Ellipsoidische hoogte Topografie Topografie
P H = Hoogte boven Geoide (~Orthometrische Hoogte) N = Geoide ondulatie
h=H+N
h H N
Ellipsoide
Geoide
GPS: de techniek
Meetmethoden Navigatie Positie
Kwaliteit 10 - 20 m
Een enkele ontvanger levert een navigatie en positie kwaliteit van <20 m nu het effect van Selective Availability (SA) uitgezet is
Meetmethoden Verschil plaatsbepaling •
•
Het is mogelijk de positie te bepalen van Rover ‘B’ in relatie met Referentie ‘A’ mits: – De coordinaten van Referentie Station (A) bekend zijn – Satellieten zijn simultaan waargenomen Differentiele plaatsbepaling – Eliminatie van fouten sat. en ontvanger klokken – Minimaliseert atmosfeer vertragingen – Kwaliteit 0.5 cm - 5 m
A
Basislijn Vector
B
Meetmethoden Verschil Plaatsbepaling • Gebruik van Code alleen is kwaliteit in de orde van 0.5m - 5 m • Dit wordt meestal aangegeven als DGPS • Gebruik van Phase or Code & Phase kwaliteit is in de orde van 5 - 10 mm + 1ppm
A
Baseline Vector
B
Meetmethoden • Initiele fase meerduidigheid moet bepaald worden om draaggolf fase data als afstands meting in de tijd te gebruiken Tijd (0)
Tijd (i)
Meerduidigheid
Meerduidigheid
Fase Meting
Getelde Golven Fase Meting
Meetmethoden
• Een beschrijving van alleen de geometrische invloed op de (on)zekerheid van een positie oplossing • Het is een indicatie van de geometrische sterkte van de op dat moment gebruikte satellieten – GDOP (Geometrie) • Samenstelling van Lat, Lon, Hoogte & Tijd – PDOP (Positie) • Samenstelling van Lat, Lon & Hoogte – HDOP (Horizontaal) • Samenstelling Lat & Lon – VDOP (Verticaal) • Samenstelling van alleen Hoogte
Goede GDOP
Meetmethoden
• Een beschrijving van alleen de geometrische invloed op de (on)zekerheid van een positie oplossing • Het is een indicatie van de geometrische sterkte van de op dat moment gebruikte satellieten – GDOP (Geometrie) • Samenstelling van Lat, Lon, Hoogte & Tijd – PDOP (Positie) • Samenstelling van Lat, Lon & Hoogte – HDOP (Horizontaal) • Samenstelling Lat & Lon – VDOP (Verticaal) • Samenstelling van alleen Hoogte
Slechte GDOP
Meetmethoden GPS landmeetkundige inzet q
Alle GPS landmeetkundige metingen maken gebruik van verschil metingen. Dat betekent een basislijn wordt gemeten van een vast (bekend) punt ‘Referentie’ naar een onbekend punt ‘Rover’.
Uitvoering door twee methoden Statische inwinning met achteraf verwerking q De ruwe GPS data van de satellieten wordt bewaard en verwerkt op kantoor met berekenings software
q
Real Time RTK q De verwerking van data wordt direkt uitgevoerd tijdens het werken; instantaan en nauwkeurige positie, in lokaal coordinaat systeem
Meetmethoden Statische meting • De klassieke methode voor lange basislijnen met hoogste nauwkeurigheid 5mm + 1ppm baseline rms – Klassieke GPS basislijn meting, waarbij elke lijn minstens een uur wordt waargenomen – De waarnemingsduur is propotioneel met de lengte van de basislijn – Standaard methode voor lijnen >20 km • Applicaties – Geodetische aansluiting voor groot gebied – Nationaal en continentale netwerken – Monitoren van tectonische bewegingen – Netwerk vereffening voor hoogste nauwkeurigheid
Meetmethoden Rapid Static • Korte waarnemingsduur voor basislijnen tot 20 km. Nauwkeurigheid 5-10mm +1ppm • Applicaties – Grondslag metingen, detail meting, vervangt polygoneren en trianguleren – Voordeel – Gemakkelijk, snel, efficient – Ideaal voor korte afstand meting
Meetmethoden
Rapid Static Gebruik Station “Ref1” en “Ref2” als Referentie Stations Een derde ontvanger Rover meet naar stations 1,2,3,4 & 5 4 3 Ref2 Ref1
2
1
Meetmethoden Real Time RTK • Real Time Code, Real Time Fase – Geen verwerking noodzakelijk – Resultaten zijn direct beschikbaar • Lokale coordinaten • Inmeting/ uitzetten
A
B
Meetmethoden q q q
Gebruik maken van GPS referentie netwerken voor; RTK metingen via GSM of Radio Statisch achteraf Rinex data downloaden
Verstoringen Systeem storingsbronnen
• Satelliet fouten – Baan onzekerheid – Satelliet klok Model
• Waarnemings fouten – Ionosfeer vertraging – Troposfeer vertraging
• Ontvanger fouten – Ontvanger Klok – Ontvanger ruis
• Stations fouten – Multipad – Interferentie
Verstoringen Gebruikers fouten
• Communicatie fouten – Slechte kabel aansluiting of interface parameters – GSM netwerk of Radio bereik • Ontvanger fouten – Instellingen; niet juist geconfigureerd, data protocol
• Waarnemings fouten – Antenne hoogte – Geen kwaliteits procedure gebruikt • Stations fouten – Coordinaat systeem – Coordinaat invoer – Aansluiting
Toepassingen q q q q q q q
Vliegtuig Milieu/GIS handhaving Hydrografie, Trein en Transport Recreatie Ruimtevaart Landmeetkunde Tijdsynchronisatie
Toepassingen q q
Vliegtuig Waas
Toepassingen q q q
Vliegtuig Waas Laas
Toepassingen q q q q
Vliegtuig Waas Laas Enroute
Toepassingen q q
Vliegtuig Milieu/GIS handhaving
Toepassingen q q q
Vliegtuig Milieu/GIS handhaving Hydrografie, Trein en Transport
Toepassingen q q q q
Vliegtuig Milieu/GIS handhaving Hydrografie, Trein en Transport Recreatie
Toepassingen q q q q q q
Vliegtuig Milieu/GIS handhaving Hydrografie, Trein en Transport Recreatie Ruimtevaart Landmeetkunde
Toepassingen q q q q q q q
Vliegtuig Milieu/GIS handhaving Clock GPS drift1 Hydrografie, Trein en Transport Base station 1 Recreatie Ruimtevaart Landmeetkunde Real time difference1,3 Tijdsynchronisatie
Real time difference1,2
Base station 2
E-OTD (GSM) IPDL-OTDOA (UMTS)
Cellular network based positioning methods require Clock a synchronous network. drift 3
GPS
Clock drift2
GPS
Base station 3
Real time difference2,3
GPS is used to measure base station clock drifts a real time differences.
Modernisatie q
GPS block IIR
PreModernization • Heritage Signals – L1 C/A – L1, L2 P(Y)
• Design Life – 10 Years
Post Modernization • Modernized Signals – Higher Power – L1 C/A, L2 Second Civil – L1, L2 P(Y) – L1, L2 M-Code
• Design Life – 10 Years
Modernisatie q
•
• • •
GPS block IIF
Pre-Modernization Heritage Signals – L1, L2 C/A – L1, L2 P(Y) Design Life – 15 Years 1 Rubidium and 3 Cesium Clocks 33 Satellite Production Run
•
•
• •
Post Modernization Modernized Signals * – Similar Power – L1 C/A, L2 Civil Signal – L1, L2 P(Y) – L1, L2 M-Code – L5 New Civil Signal Design Life – 12 Years – 10 Year MMD 2 Rubidium Clocks and 1 Cesium 12 Satellite Production Run
Modernisatie Galileo q Compatibel met GPS q Europees q EU overleg Barcelona 16 maart 2002 positief besluit q Volledig operationeel 2010
Demo q q
GIS GS5+ SR530 GSM
