Plaatsbepaling met Global Navigation Satellite Systems GNSS Basisbeginselen
GNSS Basisbeginselen Inhoud Algemene kenmerken Systeem componenten Principe Afstand Positie Afstand bepaling code waarnemingen fase waarnemingen Fouten bronnen Differentiële metingen 2
Even terug in de tijd…
3
Hoekmeting Sinds oudheid weinig fundamentele veranderingen
Romeinse Groma 4
Hollandse Cirkel
Dubbel pentagoon prisma
Hoekmeting Sinds oudheid weinig fundamentele veranderingen
Grafometer 5
Repetitiecirkel
Wild T2 (1923)
Afstandsmeting Weinig fundamentele veranderingen...
Landmetersketting 6
Meetband
Evolutie Gecombineerde hoek- en afstandsmeting
• Tekst
7
Revolutie ! GPS
8
Titel Ondertitel
• Tekst
9
Satellieten in baan om aarde
10
Satellieten in baan om aarde
11
GNSS Basisbeginselen Algemene Kenmerken Doel van elk GNSS Nauwkeurige plaatsbepaling Wereldwijde dekking 24 uur toegang Algemeen coördinatenstelsel Gratis mogelijkheden zijn beperkt Volledige mogelijkheden voor Defensie en / of betalende gebruikers
12
GNSS Basisbeginselen Systeem componenten Ruimte Segment
Gebruiker Segment Master Station
Monitor Stations
Controlle Segment
13
Controle segment
14
GPS vs GNSS
15
GPS
• GLOBAL POSITIONING SYSTEM • Oorspronkelijk Militair • 20.200 km hoogte • Nu 35 satellieten (minimaal 24) • Nu twee frequenties (L1 + L2) • In toekomst 3e frequentie (L5)
16
GLONASS
• GLObalnaja NAvigatsionnaja Spoetnikovaja Sistema • 19.100 km hoogte • Nu 20 satellieten (18 operationeel) • Nu twee frequenties (L1 + L2) • In toekomst 3e frequentie (L3)
17
Galileo
• Vernoemd naar Galileo Galileï • 23.616 km hoogte • 30 satellieten gepland (waarvan 3 reserve) • Geplande frequenties E1, E5a, E5b, Alt-BOC • Planning operationeel in 2018?
18
Compass
• Oorspronkelijke naam Beidou (grote beer in het Chinees) • Aantal satellieten geostationair • Ook satellieten in banen om aarde • Testsatellieten al gelanceerd • Frequenties nog niet vastgesteld • In 2009 / 2010 staan 10 lanceringen gepland
19
GNSS Basisbeginselen Afstand Afstand = Tijd x Lichtsnelheid
20
GNSS Plaatsbepaling Punt dmv meerdere afstanden R3
R1 R2
3 bollen snijden op 1 punt 3 afstanden oplossen voor Latitude, Longitude en Hoogte 21
GNSS Basisbeginselen Plaatsbepaling De satellieten zijn als het ware „referentiepunten in de ruimte“ Er worden afstanden gemeten naar elke satelliet door middel van tijd afhankelijke codes De klok in een satellietontvanger is veel goedkoper dan de atoomklok in een GNSS satelliet
Een radiogolf beweegt zich voort met de lichtsnelheid (299 792 458 m/s) Afstand = Snelheid x Tijd Dus door klokfout in de satellietontvanger: 1/10 seconde fout = 30 000 km fout 1/1 000 000 seconde fout = 300 m fout 22
GNSS Basisbeginselen Punt Plaatsbepaling
4 afstanden op te lossen voor Latitude, Longitude, Hoogte en Tijd Principe is zelfde als vrije standplaatsbepaling in landmeetkunde 23
GNSS Basisbeginselen Afstand bepalen door Code waarnemingen Pseudorange (Code) Onvangen Code Van Satelliet
GPS en Galileo: Elke satelliet zend een uniek signaal dat zichzelf herhaalt Glonass: Elke satelliet zend hetzelfde signaal dat zichzelf herhaalt De ontvanger vergelijkt een zelf gegenereerd signaal met het door de satelliet verzonden signaal Uit het tijdverschil tussen de twee signalen wordt een afstand berekend. De klok van de satellietontvanger moet dus gesynchoniseerd worden met de klok van de satelliet 24
Gegenereerde Code in Ontvanger
∆T
D = V (∆ ∆T)
GNSS Basisbeginselen Afstand bepalen door fase waarnemingen Fase Waarnemingen Ontvangen Satelliet golf (fase)
Verschillende golflengte afhankelijk van Frequentie (e.g: GPS L1: λ = 19cm, GPS L2: λ = 24cm)
Golf gegeneerd Door Ontvanger
Ontvanger vergelijkt een zelf gegenereerde golf (fasesignaal) met de golf uit de ontvanger Het aantal gehele golflengtes (meerduidheden) is onbekend als de ontvanger wordt aangezet. Zo lang de satelliet gevolgd wordt kan het verschil in afstand waargenomen worden (het aantal gehele golflengtes blijft constant) 25
∆T
D = c ∆T + λN
GNSS Basisbeginselen Fase meerduidigheden De fase meerduidigheden worden bepaald door over langere tijd te meten (draaggolf wordt constant gemeten)
Time (0)
Time (1)
Ambiguity
Ambiguity Initial Phase Measurement at Time (0)
26
Measured Phase Observable at Time (1)
GNSS Basisbeginselen Meerduidigheden oplossen Zodra de meerduidigheden zijn opgelost, wordt de nauwkeurheid van de meting niet meer significant beter Zie het effect van het oplossen van de meerduidigheden hieronder Accuracy (m)
1.00
Ambiguities Not resolved
0.10 Ambiguities Resolved 0.01
Time (secs) Static RTK 27
0 120 0 20
GNSS Basisbeginselen Waarnemingsfouten GNSS signalen worden uitgezonden via radiogolven
19950 Km
We nemen aan dat de golf zich met de lichtsnelheid voortbeweegt GNSS signalen komen door een aantal atmosferische lagen om de aarde te bereiken Bij elke laag wordt het signaal vertraagd Deze vertraging resulteert in een fout in de berekende afstand tussen ontvanger en satelliet
28
200 Km
50 Km
Ionosphere
Troposphere
GNSS Basisbeginselen Multipath Een satellietsignaal kan weerkaatsen op verschillende obstructies Eerst komt het signaal binnen via de directe route, maar later nog eens via de gerefleceerde route (gebouw / auto / water)
29
GNSS Basisbeginselen Nauwkeurigheden In theorie bedraagt de nauwkeurigheid ca 10 meter gebaseerd op de codewaarnemingen
30
GNSS Basisbeginselen Vraag
V: Hoe wordt mijn nauwkeurigheid beter? A: Gebruik differentiële metingen
31
GNSS Basisbeginselen Differentiële metingen De positie van Rover B kan ten opzichte van Referentie A bepaald worden mits: De coördinaten van A bekend zijn Gelijktijdige waarnemingen
Differentiële plaatsbepaling Heft fouten op in de satellietklok en ontvangerklok Minimaliseert fouten door vertraging door de atmosfeer Hoge nauwkeurigheid
32
A
Baseline Vector
B
GNSS Basisbeginselen Differentiële Code/Fase Wanneer alleen code gebruikt wordt dan is de nauwkeurigheid 30-50cm We noemen dit DGPS
Als Fase waarnemingen gebruikt worden of Code & Fase worden gecombineerd, dan is de nauwkeurigheid ca. van 1cm + 1ppm We noemen dit RTK
33
A
Baseline Vector
B
GNSS Basisbeginselen Dilution of Precision (DOP) Geeft een indicatie van de invloed van de stand van de satellieten (constellatie) op de nauwkeurigheid in een bepaalde richting GDOP (Geometrical) Omvat Lat, Lon, Hoogte & Tijd PDOP (Positional) Omvat Lat, Lon & Tijd HDOP (Horizontal) Omvat Lat & Lon VDOP (Vertical) Omvat alleen Hoogte
34
Good GDOP Poor GDOP
GNSS Basisbeginselen Coordinate Quality (CQ) CQ waarde is gebaseerd op de standdaardafwijking en een aantal andere wiskundige factoren CQ waarde is zo berekend dat er tenminste een kans is van 2/3 dat de berekende coördinaten minder dan de CQ waarde afwijken van de werkelijke coördinaten De hoogte nauwkeurigheid is altijd slechter dan de 2D nauwkeurigheid (meestal x 1.5)
35
GNSS Basisbeginselen Real Time metingen 3 Categoriën Navigatie oplossing (TomTom) Real Time differentiële code - DGPS 30 – 50 cm Real Time differentiële fase - RTK 1 cm + 1ppm
36
GPS Basisbeginselen Navigatie oplossing nauwkeurigheid ca 10 m Voor TomTom / Garmin / scheepvaart / enz. Niet geschikt voor landmeten of precieze navigatie (vliegtuig bij landing)
37
GNSS Basisbeginselen DGPS Bij Referentie Coördinaten bekend Ontvangt alle satellieten Correcties berekenen per satelliet Correcties doorzenden via communicatielink radio / gsm / internet Bij Rover Rover ontvang gegevens via communicatielink Rover coördinaten worden gecorrigeerd door toepassen correcties Nauwkeurigheid 30 – 50 cm 38
GNSS Basisbeginselen RTK Bij referentie Coördinaten bekend Ontvangt alle satellieten Zend de GNSS meetdata en coördinaten van referentiestation door naar Rover via communicatielink Bij Rover Ontvangt de GNSS meetdata en coördinaten via communicatielink Rover gaat adhv gegevens de meerduidigheden uitrekenen Nauwkeurigheid 1cm + 1ppm 39
DGPS
Ionosfeer
Troposfeer
x x 40
Netwerk GNSS
41
GNSS Voordelen Bewezen technologie In weer en wind meten, onafhankelijk van licht, regen, mist enz. Eenvoudige configuratie (antenne = coördinaten)
GS15 42
GS10
GNSS Nadelen Lagere precisie dan traditioneel landmeten, bijvoorbeeld Total Station Meet niet of slecht in de buurt van bomen / bebouwing of andere obstructies!
43
