OPRACOWANIE DANYCH GPS CZĘŚĆ I WPROWADZENIE DO GPS

Transkrypt

1 OPRACOWANIE DANYCH GPS CZĘŚĆ I WPROWADZENIE DO GPS Bernard Kontny Katedra Geodezji i Fotogrametrii Akademia Rolnicza we Wrocławiu

2 ZAGADNIENIA Ogólny opis systemu GPS Struktura sygnału Pomiar kodowy i fazowy Błędy pomiarowe Metody pomiarów Struktura danych pomiarowych

3 Global Positioning System, znany jako GPS lub NAVSTAR-GPS (NAVstar System with Timing And Ranging-Global Positioning System), jest satelitarnym nawigacyjnym systemem pozycyjnym opracowanym i wdrożonym przez Departament Obrony (DoD) USA dla potrzeb militarnych w 1974 roku. System został otwarty dla użytkowników cywilnych w 1980 roku. Od 1993 roku system jest w pełnej fazie operacyjnej.

4 Struktura systemu

5 Segment kosmiczny 24 satelity (obecnie 28) 4 satelity na 6 orbitach Nachylenie orbit 55 26,560 km promień orbity Czas obiegu 11h 58m Każdy satelita wyposażony w kilka zegarów atomowych Block I Block II Block IIA (A advanced) Block IIR (R replenishment) Block IIF (F Follow on) IIA Block III See IIR

6 Globalna sieć stacji: Segment kontrolny Master Control Station Colorado Springs, CO Monitoring Stations Ascension Island, Colorado Springs, Diego Garcia, Hawaii, Kwajalein Ground Control Stations Ascension, Diego Garcia, Kwajalein Kontrola Master Control Station Sygnał GPS Dane Monitor Station

7 Segment użytkowników Odbiorniki i użytkownicy GPS: Użytkownicy cywilni Nawigacja lotnicza, morska i lądowa Pomiary geodezyjne i GIS Pomiary naukowe (permanentne) Turystyka, sport, monitorowanie pojazdów i osób Użytkownicy wojskowi Nawigacja wojskowa Systemy ratownictwa Artyleria

8 PODSTAWOWA IDEA SYSTEMU W sygnale zawarta jest informacja o czasie Należy zmierzyć odległość od satelity do odbiornika odległość = prędkość * czas Jeżeli zmierzymy czas od momentu emisji sygnału z satelity do jego odbioru przez odbiornik, obliczymy odległość (pseudorange measurements pomiary pseudoodległości) Odległość jest sumą pewnej liczby pełnych cykli fazowych emitowanej fali plus mierzona część ułamkowa cyklu ρ = N*λ + n* λ (carrier-phase measurements pomiary fazowe) Mierząc odległość do kilku satelitów, których pozycja jest znana, możemy wyznaczyć pozycję odbiornika (przestrzenne wcięcie liniowe)

9 GPS Positioning pozycjonowanie GPS 4 satelity Latitude Longitude Height Time or X, Y, Z, t Dokładność wyznaczenia pozycji ok. 10 m.

10 Differential GPS Różnicowy GPS Satelita odniesienia DX, DY, DZ Rover Reference Dokładność wyznaczenia pozycji względnej: 1-10 mm.

11 Sygnał GPS L1 carrier (154*10.23 MHz) P code + C/A code + data message L2 carrier (120*10.23 MHz) P code + data message

12 Obserwacje GPS Pomiary pseudoodległości (nawigacja, pozycjonowanie) P = c (T + dt t - dt) + d ion + d trop + d mp + e

13 Obserwacje GPS Pomiary fazowe (Pomiary geodezyjne, geodynamika, itp.) Φ = ρ + c (dt - dt ) + λ N - d ion + d trop + d mp + e

14 Obserwacje GPS

15 Obserwacje różnicowe GPS Pojedyncza różnica Podwójna różnica Potrójna różnica Φ = ρ + c (dt - dt ) + λ N - d ion + d trop + d mp + e Φ = ρ + λ N - d ion + d trop + d mp + e Φ i,i+1 = ρ i,i+1 - d ion i,i+1 + d trop i,i+1 + d mp i,i+1 + e

16 Kombinacje liniowe częstotliwości LC = a x L1 + b x L2

17 Kombinacje liniowe częstotliwości

18 Kombinacje liniowe częstotliwości Wąska Ścieżka - Narrow lane LCs

19 Podstawowe źródła błędów P = c (T + dt t - dt) + d ion + d trop + d mp + e Φ = ρ + c (dt - dt ) + λ N - d ion + d trop + d mp + e Φ = ρ + λ N - d ion + d trop + d mp + e 1. Orbity (pokładowe, precyzyjne, są modelowane np. pomiarów) 2. Zegar satelity i zegar odbiornika (eliminacja przez różnicowanie) 3. Przeskoki fazy (są wykrywane i naprawiane przez różnicowanie) 4. Opóźnienie jonosferyczne (eliminowane przez kombinację L1/L2) 5. Opóźnienie troposferyczne (jest modelowane np. pomiarów) 6. Odbicia (ograniczone przez konstrukcję anteny) 7. Zmienność centrum fazowego anteny (kalibracja anteny) 8. Geometria satelitów (DOP) 9. Szum pomiarowy sygnału (L1, L2, L1/L2) 10. Szum pomiarowy odbiornika 11. Pomyłki, błedy grube (łatwe do wykrycia przez pomiary nadliczbowe)

20 Orbity Orbita przewidywana - Almanach Niska dokładność (~100 m) Używana do planowania pomiarów Orbita pokładowa - Broadcast Dobra dokładność (1-2 m) Używana w czasie rzeczywistym Orbita precyzyjna - Precise Wysoka dokładność (5-10 cm) Używana do pomiarów precyzyjnych w Post-Processingu

21 Orbity

22 Przeskoki fazy L1_phase L2_phase Phase (cycles) Cycle slip at L Hrs Φ i,i+1 = ρ i,i+1 - d ion i,i+1 + d trop i,i+1 + d mp i,i+1 + e

23 Opóźnienie atmosferyczne Sygnał GPS Jonosfera Troposfera < 10 km > 10 km

24 Wpływ jonosfery

25 Wpływ jonosfery 500 Kinematic 100 km baseline 250 (mm) L1 North L2 North LC North RMS 50 mm L1; 81 mm L2; 10 mm LC (>5 satellites) (mm) L1 East L2 East LC East RMS 42 mm L1; 68 mm L2; 10 mm LC (>5 satellites) Time (hrs)

26 Wpływ troposfery Obliczenie opóźnienia troposferycznego z modelu (np. modelu Hopfield)

27 Wpływ troposfery Błąd pomiaru temperatury T = 1 C powoduje błąd dr = 1.4 ppm Błąd pomiaru ciśnienia P = 1 mb powoduje błąd dr = 0.3 ppm Błąd wyznaczenia ciśnienia pary wodnej (wilgotności) e = 1 mb powoduje błąd dr = 4.6 ppm

28 Wielotorowość (Multipath) Unikać odbijających płaszczyzn Stosować talerze przeciwodbiciowe (ground plane) Stosować anteny i odbiorniki redukujące efekt GPS Antenna Reflected Signal Direct Signal Reflected Signal Satellite Powierzchnia odbijająca

29 Zmienność centrum fazowego anteny Antenna Calibration file

30 Geometria satelitów

31 Szum pomiarowy a) b) c) a) L1 frequency mm b) L2 frequency mm c) L1/L2 combination mm

32 System odniesienia Inertial Reference Frame - Celestial Terrestrial Reference Frame Definiowany przez pozycje punktów odniesienia Realizowany na podstawie obserwacji: VLBI, SLR, DORIS i GPS International Terrestrial Reference Frame (ITRF) World Geodetic System (WGS-84) Prawoskrętny, kartezjański układ współrzędnych przestrzennych

33 System odniesienia H h

34 Metody pomiarowe Pomiary statyczne (static( static) Pomiary szybkie statyczne (rapid( static) Pomiary Stop Stop-and-go Pomiary kinematyczne (continous( kinematic) Pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym Real-time kinematic (RTK( RTK)

35 Pomiary statyczne na statywach lub filarach obserwacyjnych duże odległości (10 km do tysięcy km) długie sesje (godziny, dni, permanentnie) pomiary osnów, pomiary badawcze jednoczesne obserwacje na wielu punktach interwał rejestracji od 5 do o 30 sekund redukcja wielotorowości opracowanie danych w Post-processing processingu

36 Pomiary szybkie statyczne krótsze odległości (do 10 km) krótsze sesje (10 minut) zagęszczenie osnów (III klasa) interwał rejestracji sekund obliczenia w post-processingu processingu 2 stacje referencyjne wymagane Stacja referencyjna 2 Stacja referencyjna

37 Pomiary stop and go odległości do 1 km obserwacje 1 minutowe interwał sekundowy wymagana inicjalizacja ciągła rejestracja minimum czterech tych samych satelitów inicjalizacja Stacja referencyjna

38 Pomiary kinematyczne wymagana inicjalizacja ciągły pomiar interwał rejestracji 1 sekunda

39 Pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym (RTK, DGPS) antena radio korekta dane obs. radio antena Stacja bazowa Stacja mobilna (rover)

40 Dane pomiarowe obserwacje (L1, L2, C/A, P1, P2, D1, D2) orbity (parametry orbit pokładowych) dane stanowiskowe (site( information) nazwa punktu (skrót 4-znakowy) 4 czas pomiaru (początek, koniec) wysokość anteny (ew. ekscentr anteny) szkic przesłonięcia horyzontu inne informacje dane meteo

41 Polowy dziennik pomiarowy

42 Koniec części I