GPS / GNSS (fordypning/tutorial)

1

GPS / GNSS (fordypning/tutorial) Ola Øvstedal Seksjon for geomatikk, IMT, NLH 2

Program Systembeskrivelse Måling / beregning av koordinater Feilkilder Nøyaktighetsfremmende tiltak Fattigmanns-GPS Bruk av håndholdte mottakere Gratis-tjenester for data-prosessering ola.ovstedal@imt.nlh.no 3

GNSS Global Navigation Satellite Systems GPS amerikansk militært system første satellitt i 1978 28 satellitter pr. mai 2004 dagens dominerende system GLONASS russisk (tidligere sovjetisk) militært system første satellitt i 1982. 25 satellitter i 1996/97. 9 satellitter pr. mai 2004. Har i perioder vært tvil om framtidig utvikling Galileo europeisk sivilt system første satellitt i 2005. Planlagt operativt i 2008. 4

GPS Systembeskrivelse og anvendelser Utgangspunk: Bestemme koordinater til ukjente punkt (GPS-antenne) ved å måle avstander til punkter med gitte koordinater (satellitter) Nøyaktighet: 100 m 0.0001 m GPS-mottaker Observasjonsstørrelser Observasjons- og beregningsteknikk Måletid i hvert punkt Geometri (DOP-verdier) 5

De tre segmentene i GPS-systemet Romsegmentet Kontrollsegmentet Brukersegmentet 6

GPS systembeskrivelse 7

Operational Control System (OCS) Monitorere signalene fra GPS-satellittene Avdekke feil Beregne systemdata (for eksempel satellittkoordinater og satellittklokkekorreksjoner) Sende systemdata til satellittene via kommunikasjonslinker. Satellittene klarer seg en viss tid uten kontakt med OCS Block I satellitter : 3-4 dager Block II satellitter: 14 dager Block IIA satellitter: 180 dager Block IIR satellitter: > 180 dager 8

Lokalisering av kontrollsegmentet 9

Monitor stasjon og bakkebasert antenne DSCS Defence Satellite Communication System 10

Baneberegning Beregne koordinater til satellittene med målinger (avstander) som er foretatt i punkter med kjente koordinater. Tid spiller en avgjørende rolle Måler avstander ved å måle signalenes gangtid fra satellitt til mottaker: Avstand = gangtid x lyshastighet Satellittene og mottakerne beveger seg i forhold til hverandre. Tidsmerke målingene Regne ut satellittkoordinater ved riktig tidspunkt Referanseramme ( Datum ) 11

Tidsbegrepet i GPS Internasjonal Atomtid (TAI) - realiseres ved atomklokker 1 sekund er definert som 9.129.631.770 svingninger av cesium-isotop 133. Universal tid UT UT1 - et mål for jordens rotasjon : varierer med tiden UTC - Definert ved atomtid og UT1 Kriterie for skuddsekund: UT1 UTC > 0.9 sek GPS-tid Identisk med UTC pr. 6. Januar 1980 Er en kontinuerlig (atom) tid : Har ikke skuddsekund Tiden angis ofte som uke-nummer og sekunder i uka 12

Skuddsekunder / Leapseconds GPS-tid - UTC-tid 13 12 11 Leapseconds / sjaltesekund 10 9 8 7 6 5 4 3 GPS-tid er identisk med UTC-tid pr. 6. Januar 1980. Kriterium for skuddsekund: UT1 UTC > 0.9 sek Antall skuddsekunder sendes i satellittenes navigasjonsmelding. 2 1 0 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 År 13

Koordinater er 4-dimensjonale 14

Aktuelle referanserammer ITRF (International Terrestrial Reference Frame) Realisert ved brukt av flere romgeodetiske teknikker (GPS, SLR, DORIS, VLBI, LLR). Globalt nettverk av observasjonssteder Blir materialisert i form av en katalog med et sett kartesiske, geosentriske koordinater x,y,z (i meter) og hastighetskomponenter (i meter pr. år). Origo i jordas massesenter Summen av alle hastighetskomponenter satt lik null (dvs. at referanserammen ikke skal ha noen netto rotasjon i forhold til jordkroppen). Forskjellige utgaver referert med årstal. Siste utgave er ITRF2000 15

World Geodetic System 1984 - brukt av GPS sitt kontrollsegment - WGS84 Transformasjon mellom NSWX-9Z2 (brukt for TRANSIT-DOPPLER) og BIH Conventional Terrestial System (nå erstattet av ITRF) ved epoken 1984.0 Nøyaktighet på 1-2 m relativt ITRF WGS84 G730 (2/2.1994) Tatt i bruk av GPS Control Segment 29/6.1994 WGS84 G873 (30/9.1996) Tatt i bruk av GPS Control Segment 29/1.1997 Nøyaktighet på 0.10 m relativt ITRF94 WGS84 G1150 (20/1.2002) Tatt i bruk av GPS Control Segment 20/1.2002 Nøyaktighet på ca. 0.01 m relativt ITRF2000 16

WGS84-ellipsoiden b a Ellipsoiden størrelse: a = 6378137.0 m Ellipsoiden form: f = (a-b) / a = 1 / 298.257223563 17

ITRF / WGS84 / EUREF89 GPS-satellittene sine kringkastede koordinater er gitt i WGS84 (WGS84 er pr. i dag identisk med ITRF) Norsk datum ( referanseramme ) er i dag EUREF89: Realisering av ITRF ved epoken 01.01.1989 Ca. 0.3 differanse mellom EUREF89 og WGS84/ITRF koordinater grunnet kontinentale plateforskyvninger Betydning ved absolutt posisjonsbestemmelse, ved relativ posisjonsbestemmelse er effekten liten/neglisjerbar. Tidligere norsk datum var NGO1948 Fremdeles mye brukt i for eksempel økonomisk kartverk Krever spesielle grep, avhengig av nøyaktighetkrav. 18

Regionale tektoniske plateforskyvninger Europa 2 cm (nord-øst) Australia 7 cm (nord-øst) Midtøsten 2 cm (nord-øst) Nord-amerika 1 cm (nord-vest) Sør-amerika 2 cm (north) Afrika 3 cm (nord-øst) Asia 3 cm (nord-øst) Ved krav om høy nøyaktighet ved presis absolutt posisjonsbestemmelse eller differensiell posisjonsbestemmelse over lange avstander, må koordinatene oppfattes som 4-dimensjonale 19

GPS og høyder Vanligvis ønskes høyder som er relatert til tyngdefeltet ( geoiden ) Ellipsoidiske høyder bestemt med GPS må da korrigeres. 20

Romsegmentet 21

GPS Block II satellitt 22

GPS konstellasjon (nominell) med 24 satellitter (28 satellitter pr. mai 2004) 23

GPS konstellasjon (nominell) 24 satellitter 6 baneplan 4 satellitter i hvert baneplan 55 deg inklinasjon Omløpstid på 11 t 58 min Nær sirkulære baner med radius ca. 26 550 km 24

Visualisering av satellittbanenes eksentrisitet Keplers første lov: Satellittene beveger seg i Ellipsebaner. 25

GPS konstellasjon 26

GPS banespor 27

Generasjoner av GPS-satellitter Block I Block II Block IIA Block IIR Block IIF Prototype (test) satellitter. 10 satellitter sendt opp i tidsrommet 1978-1985. Alle er nå ute av drift. Initial Operation Satellites. 9 satellitter sendt opp i tidsrommet 1989-1990. 3 satellitter er ennå i drift. Slightly modified Block IIs. 19 satellitter sendt opp i tidsrommet 1990-1997. 16 er fremdeles i drift. Replenishment satellites. Foreløpig er 10 satellittes sendt opp. Første oppskytning i 1997. Kommende satellitter vil ha ny sivil C/A-kode på L2-frekvensen. Follow-on satellites. Ny sivil frekvens på 1176.45 MHz. Første satellitt i 2005/2006 (?). Block III Conseptual 28

Antall oppskytninger og satellitter 29

Antall aktive GPS-satellitter 30 II II A II R # aktive satellitter 20 10 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 30

Kringkastet navigasjonsmelding - sendt som en del av signalene fra satellittene - Modulert på: L1: * C/A-kode * P-kode I kvadratur L2: * P-kode Data-rate : 50 bit/sec Delt inn i 25 rammer a 1500 bit (t=30 sec) Hver ramme delt inn i 5 sub-rammer a 300 bit (t=6 sec) Hver subramme delt inn i 10 ord a 30 bit (t=0.6sec) For nedlesing av almanakkdata for alle satellittene, må hele meldingen mottas: Lengde: 25 x 1500 bit = 37500 bit (t=750 sec = 12 min 30 sec) 31

Navigasjonsmelding - format 32

Navigasjonsmelding - innhold 33

Innholdet i kringkastet navigasjonsmelding 34

Notice Advisory to Navstar Users (NANU) - meldinger fra kontrollsegmentet, kan abonnere på E-poster - NOTICE ADVISORY TO NAVSTAR USERS (NANU) 2004052 SUBJ: SVN38 (PRN08) UNUSABLE JDAY 124/1117 - UNTIL FURTHER NOTICE 1. NANU TYPE: UNUSUFN NANU NUMBER: 2004052 NANU DTG: 031229Z MAY 2004 REFERENCE NANU: N/A REF NANU DTG: N/A SVN: 38 PRN: 08 START JDAY: 124 START TIME ZULU: 1117 START CALENDAR DATE: 03 MAY 2004 STOP JDAY: UFN STOP TIME ZULU: N/A STOP CALENDAR DATE: N/A 2. CONDITION: GPS SATELLITE SVN38 (PRN08) WILL BE UNUSABLE ON JDAY 124 (03 MAY 2004) BEGINNING 1117 ZULU UNTIL FURTHER NOTICE.. 35

GPS kringkastet efemeride - kvasi keplerelementer Formelverk for å regne om fra keplerelementer til jordfaste WGS84-koordinater. Koordinater i ellipsens plan (e1,e2) Koordinater i Celestisk ( himmelfast ) system (x,y,z) Koordinater i jordfast system. (x,y,z) Bruk av keplerelementer er en effektiv måte å pakke satellittkoordinatene på.! 36

GPS - Signalstruktur Spredt spektrum-teknikk for utsendelse av en navigasjonsmelding: Robust mot jamming Pseudorandom koder (P/W- og C/A-kode) brukt som spredekoder. En unik kode for hver satellitt, svært lite korrelerte med hverandre GPS-mottakeren modulo-2 adderer mottatt signal med egengenerert kopi av spredekoden (P/W- og C/A-kode): Identifiserer satellitten Dekoder navigasjonsmeldingen (jfr. parabolanlegg) Bruker spredekoden til å målde avstand mellom satellitt og mottaker. 37

Modulo-2 addisjon -1 settes her til 0: 0 + 0 = 1 + 1 = 0 0 + 1 = 0 + 1 = 1 38

Modulering av digital informasjon på en bærebølge 39

Modulert signal L1(t) = a 1 P(t) W(t) D(t) cos(f 1 t) + a 1 C/A(t) D(t) sin(f 1 t) L2(t) = a 2 P(t) W(t) D(t) cos(f 2 t) C/A-kode er plassert i fase-kvadratur (dvs. 90 deg offsett): sin(f t) = cos(π/2 - f t) 40

Signaler i GPS-systemet 41

Signaler i GPS-systemet 42

Fra signaler til observasjoner f 0 L1 X 154 L2 X 120 C/A + P + Data P + Data GPS-mottaker C/A, (P1), (P2), L1, (L2), Data 43

GPS - Observasjonsstørrelser Frekvens λ λ x 1% C/A-kode 10.23 MHz 293 m 2.9 m P-kode 1.023 MHz 29.3 m 0.29 m L1 1575.42 MHz 0.19 m 1.9 mm L2 1227.60 MHz 0.24 m 2.4 mm 44

GPS observasjon - avstandsmåling GPS-observasjoner: avstandsmålinger - kode (pseudorange) - bærebølgene (fase) 45

Avstandsmåling - EDM To-veis avstandsmåling: - aktivt system 46

Avstandsmåling - GPS En-veis avstandsmåling: - passivt system 47

GPS-mottaker 48

En generalisert GPS-mottaker 49

Pseudorange (kode-fasemåling) 50

Pseudorange avstandsmåling Fra satellitt: Generert i mottaker: 51

Pseudorange avstandsmåling 52

Pseudorange avstandsmåling 53

Pseudorange (kode) måling Pseudorange: 54

Pseudorange (pseudo-avstand) 55

Fasemåling på bærebølgen 56

Akkumulert faseobservasjon 57

To typer avstandsmålinger To typer avstandsobservasjoner: 1. Kode (pseudorange) Entydige (robuste) Nøyaktighet ca. 0.5 m 3 m 2. Fase (måling ved hjelp av bærebølgen) Flertydige (avstandene har et offset på et ukjent antall hele bølgelengder), krevende å bruke. Nøyaktighet ca. 0.005 m 0.020 m De fleste mottakere og programvarer gjør bruk av både kode- og fasemålingene Faseglatting av kode, bruke den glattede koden som observasjoner Separat vekting av kode og fase, bruker både kode og fase som observasjoner. 58

Selective Availability (SA) Degradert nøyaktighet for sivile anvendelser Pålagt feil på: 1. Satellittens klokker 2. Kringkastede satellittkoordinater i Navigation Message (som er modulert sammen med C/A-kode) Absolutt nøyaktighet (dvs. Bruk av kun en mottaker): 100 m horisontalt 156 m i høyde 95 % Effekten av SA elimineres nesten helt ved differensielle målinger (NB!!nær samtidige målinger) Nivået til SA redusert til null 2. mai 2000. 59

Effekt av Selective Availability (SA) 2. Mai 2000 160 140 120 100 S rhellinga 2. mai 2000 Feil i H yde koordinat (meter) 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 -120-140 -160 160 140 120 S rhellinga 2. mai 2000 0 2 4 6 8 UTC (timer) 160 140 120 S rhellinga 2. mai 2000 100 100 Feil i Nord koordinat (meter) 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80 Feil i st koordinat (meter) 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 -100-120 -120-140 -140-160 0 2 4 6 8 UTC (timer) -160 0 2 4 6 8 UTC (timer) 60

Anti-Spoofing (AS) P-koden blir mult. med en hemmelig W-kode : Y- kode P-koden ikke lenger tilgjengelig for sivile brukere Kun C/A kode og L1-fase tilgjengelig for sivile brukere Konsekvens: Sivile brukere kan ikke eliminere effekten av ionosfære Vanskeligere å beregne faseløsning med høy nøyaktighet (fix-løsning) o Reparere fasebrudd (cycle slips) o Initialisere flertydighetene til faseobservasjonene Signaler fra nye satellitter vil ha sivil C/A-kode på L2, ny L5 frekvens fra 200? 61

Sivil omgåelse av AS (ref. Leick, 1995) Teknikk Kvadrering Kode-støttet kvadrering Krysskorrelasjon Firma (eks) Div. eldre Leica SR299 Trimble 4000 Turbo Rogue C/A Nei Ja Ja Ja Ashtech P/Y-kode Nei Y1 (*) Y2 Y1 Y1, Y2 L2 - bølge Halv Halv (*) Full Full Z-tracking S / N (ref. Z-Track) -16 db (0.025) -3 db (0.5) -13 db (0.05) Tall for tap er S/N er relatert til Ashtech Z-tracking 0 db (1) Direkte tilgang til P-kode: S/N vinst på 6-14 db 62

Beregning av koordinater GPS-observasjoner og navigasjonsmelding Mottakerspesifikt format : binære filer RINEX (Receiver INdependent EXchange) format: ASCII-filer Data tilgjengelig over Internet (for eksempel fra IGS) Konvertere fra binære mottakerspesifikke filer Tidligere kun fra geodetiske mottakere (dyre), nå også fra håndholdte mottakere som Garmin GPS 12 og Garmin Etrex. 63

RINEX observasjonsfil, eks. 2 O G RINEX VERSION / TYPE XP100 Thales GeoSolutions 22-JAN-04 PGM / RUN BY / DATE MARKER NAME Thales GeoSolutions OBSERVER / AGENCY MS750 (Trimble) REC # / TYPE / VERS Other ANT # / TYPE 2154447.7382 5471533.2066 2461740.3618 APPROX POSITION XYZ 0.0000 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 5 C1 D1 L1 P2 L2 # / TYPES OF OBSERV 1 INTERVAL 2004 1 22 0 0 0.000000 GPS TIME OF FIRST OBS END OF HEADER 04 1 22 0 0 0.0000000 0 8G 1G 2G 3G 8G16G20G27G31 20743552.742-403.188-1223228.258 20743543.193-951591.650 21755525.224-3479.893 4905226.020 21755516.596 3825872.347 22689987.585-103.081-2981384.109 22689978.916-2321137.539 25213539.108 626.089-41433.898 25213533.490-30691.773 22957618.909-4395.508 11731744.973 22957606.089 9144573.339 21288365.592-3765.493 778765.941 21288355.382 611104.665 22801869.482-369.907 158170.633 22801859.765-1088410.668 23242011.059 1387.397-2139193.289 23242001.426-3736843.441 04 1 22 0 0 1.0000000 0 8G 1G 2G 3G 8G16G20G27G31 20743629.585-404.004-1222824.645 20743620.387-951277.151 21756187.778-3480.757 4908706.355 21756179.433 3828584.298 22690005.996-103.999-2981280.535 22689999.253-2321056.820 25213420.192 626.201-42060.156 25213414.458-31179.763 22958453.946-4396.406 11736141.145 22958442.867 9147998.928 21289082.112-3766.079 782531.602 21289073.254 614038.940 22801940.331-370.195 158540.617 22801931.552-1088122.358 23241747.274 1387.061-2140580.494 23241737.759-3737924.349 64

RINEX navigasjonsfil, eks. 2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPE CCRINEXN V1.6.0 UX CDDIS 23-JAN-04 02:39 PGM / RUN BY / DATE IGS BROADCAST EPHEMERIS FILE COMMENT 0.1490D-07-0.7451D-08-0.5960D-07 0.1192D-06 ION ALPHA 0.1249D+06-0.1311D+06 0.0000D+00-0.6554D+05 ION BETA 0.838190317154D-08 0.888178419700D-14 589824 1254 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 13 LEAP SECONDS END OF HEADER 2 04 1 22 0 0 0.0-0.261270441115D-03-0.682121026330D-11 0.000000000000D+00 0.170000000000D+02 0.728125000000D+01 0.505806783169D-08 0.268855845179D+01 0.381842255592D-06 0.232655999716D-01 0.839494168758D-05 0.515356356239D+04 0.345600000000D+06 0.257045030594D-06 0.962507132103D+00-0.249594449997D-06 0.932248892343D+00 0.194187500000D+03-0.171746907128D+01-0.774603693925D-08 0.646455498895D-09 0.000000000000D+00 0.125400000000D+04 0.000000000000D+00 0.280000000000D+01 0.000000000000D+00-0.186264514923D-08 0.170000000000D+02 0.345540000000D+06 0.400000000000D+01 0.000000000000D+00 0.000000000000D+00 3 04 1 22 0 0 0.0 0.796532258391D-04 0.306954461848D-11 0.000000000000D+00 0.203000000000D+03-0.207187500000D+02 0.582595696021D-08-0.475358464817D+00-0.106543302536D-05 0.539289845619D-02 0.511668622494D-05 0.515365044403D+04 0.345600000000D+06 0.633299350739D-07 0.203449758595D+01 0.428408384323D-07 0.928462322000D+00 0.263281250000D+03 0.545743371305D+00-0.862678791177D-08-0.338228374284D-09 0.100000000000D+01 0.125400000000D+04 0.000000000000D+00 0.200000000000D+01 0.000000000000D+00-0.419095158577D-08 0.971000000000D+03 0.340890000000D+06 0.400000000000D+01 0.000000000000D+00 0.000000000000D+00 65

Absolutt posisjonsbestemmelse med kode- / pseudorange-måling Vi har i regelen et overbestemt system (flere observasjoner enn ukjente parametre): Utjevning Kalman-filtrering Minste-kvadraters-metode (jfr. Regresjonsanalyse) Organisering av parametre: Observasjoner: Avstander (pseudo) Ukjente: Mottaker-koordinater og klokkefeil ( 4) Gitte: Satellittkoordinater og klokkefeil Sanntid: fra Navigation Message Etterprosessering: fra sivile beregningssentre, f.eks. IGS Regne ut satellittkoordinatene ved riktig tidspunkt Tidspunktene da signalene forlot satellittene Korrigere for jordrotasjon i løpet av sigalenes gangtid (ca. 0.07 sek) Påføre korreksjoner på observasjonene 66

Absolutt posisjonsbestemmelse ved MKM Utgangspunkt: R Uttrykker observasjonene som funksjon av de ukjente parametrene: R j j j i ( t) = ρi + c ( dti dt ) + drtrop + driono + j j i ( t) ( c dt + drtrop + driono + drrel ) = ρ j i dr Rel + c dt i De ukjente mottakerkoordinatene inngår i: ρ j i = ( j ) ( j ) 2 ( j x x + y y + z z ) 2 i 2 i i 67

68 Absolutt posisjonsbestemmelse ved MKM Observasjonsligninga er ikke-lineær, innfører foreløpige verdier (x 0 ) og lineariserer rundt disse: På matriseform: l = A dx Løsning: dx = Q A T l, Q = (A T A) -1 Oppdatering: x = x 0 + dx i j i i j j i i j j i i j j i ddt c dz z z dy y y dx x x R + = ρ ρ ρ (...)

Absolutt posisjonsbestemmelse med MKM Nøyaktighet: s x = s 0 PDOP s x er standardavviket til beregnede koordinater (tre-dimensjonale) s 0 er standardavviket til en enkel kode-observasjon (vekt = 1) PDOP er mål for satellittgeometri PDOP = q + q + xx yy q zz 69

Beregning av DOP-verdier Verdier for Dilution Of Precision kan også simuleres i forkant av målingene Mission Planning programmer bruker tidligere viste formler for å regne ut DOP-verdier. Hva er input for Mission Planning programmet : Omtrentlige mottakerkoordinater - fra f.eks. et kart Omtrentlige satellittkoordinater - almanakkdata fra mottaker eller fra f.eks. US Coast Guard (YUMA format) Tidspunkt for målingene (NB! Pass opp for offset fra UTC) 70

Nøyaktighet (forts.) Nøyaktighet: s x = s 0 PDOP s 0 er standardavviket til en enkel kode-observasjon (vekt = 1) Kan beregnes etter MKM-utjevningen: s 0 = T v v n e v T v er feilkvadratsum n er antall observasjoner (vanligvis lik antall satellitter) e er antall ukjente parametre (vanligvis lik 4) Ved flere etterfølgende målinger i hvert punkt er estimated av s 0 ofte for optimistisk => Nyttig å vite hvilken s 0 en kan forvente. 71

Feilkilder Feil i satellittkoordinater Ca. 3 meter feil i dagens kringkastede satellittkoordinater Ca. 0.05 m feil i presise etterprosesserte koordinater Effekten reduseres ved differensielle målinger Feil i satellittklokke-korreksjonene Ca. 3-5 meter feil i dagens kringkastede korreksjoner Ca. 0.05 m feil i presise etterprosesserte korreksjoner Effekten elimineres ved differensielle målinger Atmosfære Troposfære Ionosfære Multipath 72

Atmosfæriske effekter: Troposfære Troposfære (neutrosfære: er ikke-dispersiv)): 0-40 km Effekt er en funksjon av: elevasjonsvinkel til satellitten Trykk, temperatur og luftfuktighet Skiller mellom: Tørr del: 90 % (lett å modellere) Våt del : 10 % (vanskelig å modellere) Samlet effekt i senit: ca. 2.3 m Bruk standard atmosfære, skaler etter høyden til stasjonen Ved relativ GPS: Påvirkning av høydekoordinatene Kan estimeres som ukjent parameter i beregning av koordinater (krever lange observasjonstider) 73

Atmosfæriske effekter: Ionosfære Ionosfære: 50 1500 km Effekt: Funksjon av frekvens (dispersiv), elektrontetthet og høydevinkel til satellitten. dr Iono = 40.3 k / f 2 : Ulik effekt på L1/L2 (-) og på P1/P2 (+) To-frekvente brukere kan korrigere målingene sine: dr IONO,1 = 1 ( R1 R2 ) 2 2 f 1 f 2 f 2 74

Eliminering av ionosfæren Eliminering av ionosfære krever to-frekvente mottakerer Ulempe - økt målestøy: s = 2 ( k s ) + ( k s ) 2 P3 1 P1 2 P2 k1 = 2.546 k2=1.546 s P1 og s P2 er standardavviker til hhv. P1 og P2 Lønner seg ikke for relativ GPS over korte avstander!! 75

Ionosfæriske forstyrrelser Varierer i tid og i rom 76

Variasjon i tid : 11 års sykluser Tidsserie over solflekkaktivitet 77

Korrigering av ionosfære for en-frekvente brukere (absolutt posisjonsbestemmelse) 6 Ion. delay in metres at L1 5 4 3 2 1 Klobuchar Ionospheric model - station Onsala - DOY 233 / 20 August 2000 - Azimuth : 180 deg - Elevation: 45 deg Kringkastet modell i Navigation Message Klobuchar-modellen fanger opp ca. 50 % Parametrisert som en halv cosinus svingning 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time in hours (UTC) 78

Feilkilder - Ionosfære Kan i ekstreme tilfelle føre til målefeil på 100m (absolutte målinger) Virkningen ved differensielle målinger redusert til målestokksfeil på ca. 1 10 ppm Vi har nå vært inne i periode med mye ionosfæreaktivitet: Hovedproblem i Norge (høy breddegrad): Scintillasjoner: (dvs. raske forandringer i avstandsobservasjonene) Fading: Mottakerne kan miste faselås, verst på L2- frekvensen (Grunnet Anti-Spoofing ) 79

Ionosfære - monitorering Eksempel i SØ-Norge, CPOS-nettet 80

Ionosfære - monitorering Ionosfærisk døgnvariasjon i zenit 81

Ionosfære - monitorering Effekt på absolutt posisjonsbestemmelse Sørhellinga 82

Ionosfære - monitorering Effekt på differensiell posisjonsbestemmelse SØRH -ÅRNES 83

Feilkilder - multipath Signaler som er blitt redusert fra nærliggende flater interferer med signaler som går direkte fra satellitt til mottakerantenne. Direkte signal er alltid sterkest (hovedsignal) Indirekte signaler blir dempet når de blir reflektert De indirekte signalene drar i de direkte signalet og fører til at observasjonene blir feil Største feil for fasemålinger: ¼ bølgelengde (teoretisk max-verdi) Største feil for kodemålinger: noen titalls meter Virkningen reduseres ikke ved differensielle målinger (vil tvert imot øke grunnet bidrag fra referansemottakere). Multipath har et (tilnærmet) periodisk forløp, perioditet på ca. 2 min 10 min. Multipath er (sammen med virkningen av eventuelt redusert satellittgeometri) den feilkilden som er mest kritisk ved stedfesting. 84

Multipath praktiske forholdsregler Mottakerteknologi Forbedret correlator teknologi for måling av kode Filtrering i mottakernes firmware Antenneteknolgi Grunnplan under selve antenne-elementet Choke-ring (tar kun lave signaler - egnet for referansemottaker) Antenner med lav følsomhet ved lave elevasjonsvinkler Polariserte antenner Unngå vanskelige punkter (fremdeles beste praktiske råd!!) Måle over lengre tid i hvert punkt: Midlingseffekt 85

Hvordan øke nøyaktigheten til absolutt posisjonsbestemmelse? Relative (differensielle) målinger Krever observasjoner/korreksjoner fra referansemottakere som opererer i punkter med kjente koordinater. Egne lokale referansemottakere Bruke etablert infrastrukur (kommersielle, gratis) Presis absolutt posisjonsbestemmelse Observasjoner fra kun en mottaker Satellittkoordinater og - klokkekorreksjoner fra for eksempel IGS (International GPS Service) 86

Differensiell GPS - motivasjon Dominerende feilkilder: Feilkilde Reduksjon ved samtidige målinger (SA) ( X ) reduksjon ved nære målinger Atmosfære Satellittklokke Banefeil Multipath Mottakerstøy x x x 87

dgps prinsipper for Base GPS-mottaker i et punkt med kjente koordinater 1. Observerer pseudoavstander til alle tilgjengelige satellitter (R Bj ) 2. Regner ut geometriske avstander til de samme satellittene (D Bj ) 3. Regner ut dgps-korreksjon: dr j = D j B B R j B 4. Sender ut dgps-korreksjonene over en kanal: Kystverkets sendere NRK P2 / RDS Geostasjonær satellitt 88

dgps prinsipper for Rover GPS-mottaker i et punk der koordinatene skal bestemmes 1. Observerer pseudoavstander til tilgjengelige satellitter (R Rj ) 2. Mottar dgps-korreksjoner 3. Korrigerer målte pseudoavstander: R R j = R R j +dr B j 4. Beregner posisjon (abs. pos. modell) 89

dgps - korreksjonsdata Forsinkelse til mottatt signal: ca. 3-7 sek Forsøkt modellert med range-rate) Standard format for dgps-korreksjoner: RTCM 104 o tidspunkt o Avstandskorreksjoner for hver satellitt o Hastighetskorreksjoner for hver satellitt 90

dgps - nøyaktighet Feilkilder: Tidsforsinkelse Multipath Målestøy Atmosfære: o Ionosfære: målestokksfeil (0 5 ppm) o Troposfære: Feil i høyde (cm dm) Feil i satellittkoordinater: o Målestokksfeil (< 0.25 ppm) Effekt på beregnede koordinater: 0.01-5 m (horisontalt) 91

Multi-stasjons dgps Roveren mottar dgps-korreksjoner fra flere Basestasjoner. Økt integritet ved at de ulike basestasjonene kontrollerer hverandre. Økt nøyaktighet: Regner ut et vektet middel for dgps-korreksjonene til hver satellitt. Dekker ett større geografisk område med færre Baser Kommunikasjonslink over geostasjonære satellitt, GSM eller radio. 92

Wide Area Differential GPS (WADGPS) Nettverk av Basestasjoner. Ett beregningssenter parametriserer de skalare dgpskorreksjonene fra alle basestasjonene til: Feil i satellittkoordinater Feil i satellittklokke Ionosfære-korreksjon Brukeren (dvs. Roveren ) må selv omsette WADGPSparametrene til skalare dgps-korreksjoner) dgps-korreksjonene blir en funksjon av Roveren sine koordinater. 93

Nasjonal differensiell infrastruktur fra Statens Kartverk sitt SATREF system (kommersielt) Gir meters nøyaktighet Gir desimeters nøyaktighet Gir centimeters nøyaktighet 94

SBAS - Satellite Based Augmentation Systems- EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) WAAS (Wide Area Augmentation System), USA MSAS, Japan 95

EGNOS - funksjon - Sende GPS-likt signal (L1-frekvensen) fra tre geostasjonære satellitter. Dette vil øke antall tilgjengelige GPS satellitter for brukerne. Kringkasting av integritets informasjon. Kringkasting av differensielle korreksjoner. 96

EGNOS dekningsormråde 80 60 40 20 0-20 AOR -E (15.5 W) IOR (65.5 E) -40-60 Artemis (15 E) -80-150 -100-50 0 50 100 150 97

Problemer for brukere av håndholdte mottakere i Norge De geostasjonære satellittene står svært lavt over horisonten i sør. I mange områder får en ikke tilgang til EGNOS signalene. Ionosfæremodellen i EGNOS-systemet har dårlig oppløsning i nordområdene (Figur hentet fra RTCA-dokumentet) 98

Absolutt posisjonsbestemmelse presist alternativt?? Navigasjonsløsning SA-effekten slått av 2.mai, 2000, horisontal nøyaktighet ca. 2-10 m Presis absolutt posisjonsbestemmelse Bruker presise satellittkoordinater og satellittklokkekorreksjoner, for eksempel fra IGS Nøyaktighet 0.01 m 1 m 99

Presis absolutt posisjonsbestemmelse Implementering i GPSPROG Utgangspunkt: Standard Navigation Solution Viktige modifikasjoner: Kan bruke presise efemerider, satellittklokke korreksjoner, GIM-ionosfæremodeller SP3 format RINEX-Clock format IONEX format Kan bruke to-frekvente observasjoner Kan bruke fase som observasjonsstørrelse Identifisere fasebrudd Estimere flertydigheter 100

Målinger i Vesterålfjorden M/S H.U. Sverdrup II 101

GPS mottakere på M/S H.U.Sverdrup II Javad Legacy 24 sat. GPS+Glonass L 1 /L 2 kode + fase Leica MC500 12 sat. GPS L 1 /L 2 kode + fase Trimble 4000 SSE 9 sat. GPS L 1 /L 2 kode + fase 102

Resultat Kinematisk posisjonsbestemmelse % of observations 100 80 GPSPROG (Javad receiver) compared to reference system 95% of deviations within 0.155 m (statistics based on 526540 position comparisons) 60 40 20 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Horizontal radial deviation [m] 103

Resultat: Største og midlere avvik Type løsning Største Midlere GPSPROG-Javad 0.303 m 0.027 m GPSPROG-Leica 1.622 m 0.041 m Fugro Starfix Real-time 9.604 m 0.139 m Javad Abs Real-time 8.585 m 0.033 m Trimble Abs Real-time 64.306 m 0.239 m 104

Presis absolutt posisjonsbestemmelse -Sanntidssystem- Pilot prosjekt ved JPL, USA Kommersielt system ved NAVCOM Inc, USA 105

Presis absolutt posisjonsbestemmelse - Statiske målinger Gir cm-nøyaktighet ved lange måletider (24 timer) Krever spesiell programvare, f.eks. GIPSY, Bernese GPS Software AutoGipsy (gratis beregningstjeneste), http://milhouse.jpl.nasa.gov/ag/ 106

Presis absolutt posisjonsbestemmelse Fordeler Trenger ikke referansemottakere (logistikk) Lavere kostnader, nødvendige data er fritt tilgjengelig (enn så lenge...) Ulemper Ikke mulig å fiksere flertydighetene til faseobservasjonene, trenger derfor lang tid med kontinuerlige data for å få høy nøyaktighet (bedre enn 0.1 m. 107

Presis absolutt posisjonsbestemmelse i AK06, Dag 073_2004 - nøyaktighet som funksjon av måletid- 108

Differensiell prosessering av observasjoner fra billige håndholdte GPS-mottakere - fattigmanns-gps - Bakgrunn ION GPS 99 : RINGO fra Universitetet i Notinghamn. async / gar2rnx : freeware Erfaringer fra NLH 0-baselinje : Faseobservasjonene har nøyaktighetspotensiale på 0.001 m 0.01 m Faseflertydigheter og fasebrudd med oppløsning på halvebølgelengder. Krevende å prosessere dobbeldifferanser. Beregning med bruk av trippeldifferanser viser seg å være robust og å gi nøyaktighet i dm-området. 109

Design med 0-baselinje 110

Analyse av kode- og faseobservasjonenes nøyaktighet fra Garmin 12 σ 0 = 1 σ 2 DD STDEV L1 (fix) C1 Noise 0.0027 0.5379 σ Site = σ 2 Tot σ 2 Noise Total 0.0044 2.4261 Site 0.0035 2.3657 111

Tilgang til GPS-observasjonsfiler over Internett. (i RINEX-format) Globalt Regionalt 112

Analyse av nøyaktighet ved bruk av faseobservasjoner fra Garmin 12 (Dag 063_2004) 2.5 timer med observasjoner i hvert punkt. Beregnet i bolker som hver er på 15 minutter 113

Analyse av nøyaktighet ved bruk av faseobservasjoner fra Garmin 12 (Dag 064_2004) 2.5 timer med observasjoner i hvert punkt. Beregnet i bolker som hver er på 15 minutter 114

Analyse av nøyaktighet ved bruk av faseobservasjoner fra Garmin 12 Referansemottaker 24 km unna Beregnet i 15 minutters bolker. 115

Analyse av nøyaktighet ved bruk av faseobservasjoner fra Garmin 12 Referansemottaker 0.3 km og 24 km unna. Beregnet i 5 minutters bolker. 116

Gratis internett tenester for etterprosessering av GPS observasjonsfiler i RINEX-format SOPAC The Scripps Orbit and Permanent Array Centre http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/scout.cgi AUSPOS http://www.auslig.gov.au/cgi-bin/gps.cgi AUTO GIPSY e-post til ag@cobra.jpl.nasa.gov med Static som emne og URL-adressen til RINEX-filen 117

Nøyaktighet ved bruk av gratis -tenester Kilde: Jon Fougner, Fugro Survey AS, 2002 Observasjonstid SOPAC og AUSLIG Auto GIPSY Horisontalt Vertikalt Horisontalt Vertikalt 1 time <100 mm <100 mm < 100 mm < 100 mm 2 timer 20 mm 40 mm 20 mm 40 mm 4 timer 15 mm 30 mm 10 mm 20 mm 6-12 timer 10 mm 20mm 5mm 10mm Koordinater i ITRF2000 ved måletidspunktet, må selv transformere til for eksempel EUREF89 eller NGO1948. 118

Sanntids-tjenester - private, kommersielle tjenester - FUGRO Seastar / OMNISTAR : desimeter - tjeneste og meter -tjeneste Kringkasting av korreksjonsdata over geostasjonære satellitter 119

Eksempel på priser OmniSTAR Signal Leie Artikkel Hvor Timer (**) Måned 1 år 2 år EU-OMNI Innen Europa 55,- 2 300,- 13 700,- 23 340,- RE-OMNI Regionalt ( *) 35,- 1 800,- 11 900,- 18 660,- AG-OMNI Agri lisens 30,- 1 250,- 6 750,- 12 540,- AIR- OMNI Air- lisens 6 000,- 60 000,- ** Det fordrer et minimum uttak av 150 timer på 8 måneder, eks. MVA. 120

Det var det 121