Mobilne pozycjonowanie GNSS z użyciem obserwacji fazowych

Transkrypt

1 Mobilne pozycjonowanie GNSS z użyciem obserwacji fazowych Jerzy Saczuk 1) 1) Centrum Geomatyki Stosowanej, Wydz. Inż. Lądowej i Geodezji, Wojskowa Akademia Techniczna 1/40

2 : Badania prowadzone w ramach projektu badawczego: BUDOWA SERWISÓW CZASU RZECZYWISTEGO SYSTEMU ASG EUPOS Projekt rozwojowy MNiSW nr NR /2010 Zadanie nr 12: Stworzenie serwisu pozycjonowania z wykorzystaniem telefonów komórkowych GSM z modułem GNSS Pozycjonowanie mobilne Pozycjonowanie z wykorzystaniem jednoczęstotliwościowych odbiorników GNSS przystosowanych do współpracy z urządzeniami mobilnymi (smartfony, urządzenia PDA, palmtopy) lub modułów GNSS wbudowanych w smartfony. mrtk technologia RTK bazująca na wyżej wymienionych odbiornikach. 2/40

3 Wbudowane moduły GPS ocena wykorzystania z użyciem standardowych możliwości programowania: Ograniczenia: 1. Dostęp do danych o pozycji [φ, λ, h el (h npm )], za pośrednictwem Location API lub danych w formacie NMEA. 2. Brak dostępu do surowych obserwacji pseudoodległości (i obserwacji fazowych). Opracowany algorytm: 1. Odtworzenie macierzy współczynników (design matrics) na podstawie pozycji odbiornika i pliku efemeryd. 2. Utworzenie wektora wyrazów wolnych na podstawie poprawek referencyjnych (np. KODGIS). 3. Obliczenie poprawionej pozycji (metodą analogiczną do technologii DGPS). 3/40

4 Wbudowane moduły GPS ocena wykorzystania z użyciem standardowych możliwości programowania: Ocena użycia algorytmu: wykazały poprawę pozycji w wyniku użycia algorytmu dla 55% testowych sesji pomiarowych. Skala poprawy była niewielka (30% 40%) i różnorodna dla modułów GNSS pochodzących od różnych producentów. Osiągalna dokładność ~3m. Brak efektu poprawy dla odbiorników stosujących algorytmy filtracji pomiarów. Dla odbiorników, dla których w oprogramowaniu firmowym nie są stosowane algorytmy filtracji (SiRF) skala poprawy pozycji jest porównywalna z efektem zastosowania technologii DGPS (której skuteczność w przypadku odbiorników SiRF, charakteryzujących się niską dokładnością pomiarów kodowych, jest niewielka) Wnioski: Sens praktycznej implementacji metody jest dyskusyjny. Istotną poprawę pozycji można osiągnąć jedynie w drodze wykorzystania pomiarów fazowych. 4/40

5 Wbudowane moduły GPS: Przykład zastosowania technologii DGPS dla odbiornika SiRF: 5/40

6 : Popularne, tanie odbiorniki jednoczęstotliwościowe, jako jedyne w swojej klasie pozwalające na pracę w trybie binarnym umożliwiającym dostęp do surowych danych obserwacyjnych (pseudoodległości, obserwacje dopplerowskie, obserwacje fazowe (niedostępne wprost w SiRF III). Przeznaczone do współpracy z urządzeniami mobilnymi komputery przenośne, telefony komórkowe. Odbiorniki oferowane w postaci: 1. Anten łączonych z konsolą za pomocą łącza USB, PS2, RS 232 (GPS mouse) np. Globsat BU 353 S4 (SiRF Star IV GSD4e). 2. Anten z połączeniem bezprzewodowym Bluetooth (Bluetooth GPS) np. Nokia LD 3W, LD 4W, Motorola T805 (SiRF Star III), RoyalTek RBT 1000 (SiRF Star II). 3. Modułów wbudowanych w urządzenia typu komputer kieszonkowy (PDA, palmtop), np. Eten M800 (SiRF Star III), smartfon np. Samsung Glaxy SII (SiRF Star IV GSD4t ). 6/40

7 : 7/40

8 ilustracja dokładności i precyzji obserwacji kodowych: SiRF II SiRF III 8/40

9 dane w formacie binarnym 1 epoka zawierająca 8 komunikatów MID 28 (obserwacje) i 1 MID 07 (czas): To samo w formie tekstowej: Komunikat MID 28 dla SiRF II i SiRF III 9/40

10 mrtk -badania Technologia mrtk problemy do rozwiązania 1. Dekodowanie danych binarnych (np. konwersja do formatu RINEX) z odzyskaniem informacji o obserwacjach fazowych (Carier Phase) na podstawie odbieranej częstotliwości (Carier Frequency). 2. Opracowanie technologii opracowania pomiarów uwzględniającej specyfikę odbiorników jednofazowych cechujących się niską dokładnością pomiarów kodowych. a. Przyspieszenie procesu dostrojenia filtru Kalmana. b. Opracowanie algorytmu polepszającego efektywność pozycjonowania w trybie kinematycznym. c. Automatyczne rozpoznanie ruchu odbiornika, przełączanie pomiędzy trybem statycznym i kinematycznym. 3. Opracowanie technologii transferu precyzyjnej pozycji do dowolnych aplikacji mobilnych. Ad 1: Aplikacja Sirf2rinex Ad 2: Opracowana technologia mobilnego RTK i aplikacja mrtk. Ad 3: W systemie Android wykorzystanie API Pozorowane położenie (Mock locations). 10/40

11 Technologia mrtk dekodowanie danych binarnych Został opracowany algorytm obliczania przyrostu fazy na podstawie rejestrowanej częstotliwości nośnej (Carire Frequency). Algorytm został zaimplementowany w programie Sirf2rinex. Stworzono możliwość opracowania pomiarów z użyciem dostępnego oprogramowania (np. rtklib ). Sposób obliczania obserwacji fazowych generuje błąd początkowej wartości fazy (0.20 m), co przenosi się na podobnego rzędu błąd wyznaczanej pozycji. Ten problem oraz potencjał mrtk w trybie kinematycznym Ilustruje wykres. 11/40

12 mrtk badania Technologia mrtk problem inicjalizacji procesu Znany jest problem inicjalizacji procesu wyznaczania pozycji w technologii RTK dla odbiorników jednoczęstotliwościowych. Rozwiązania o zadawalającej dokładności osiąga się po około min od momentu rozpoczęcia pomiarów. W przypadku obserwacji statycznych można ten czas zredukować o połowę stosując kombinowany (w przód i wstecz) proces przetwarzania danych. Z punktu widzenia prowadzenia pomiarów w czasie rzeczywistym problem ten wymaga rozwiązania. W tym celu została opracowana metoda polegająca na inicjalizacji pomiarów na punkcie o znanych współrzędnych. 12/40

13 mrtk badania mrtk tryb kinematyczny przesunięcie z przyrostu fazy Przyrost fazy można traktować jako dodatkowy rodzaj obserwacji pozwalający na precyzyjne (błąd rzędu 1cm) wyznaczenie zmiany położenia odbiornika pomiędzy kolejnymi epokami. Użycie tych obserwacji prowadzi do podobnego efektu, jak wyznaczenie szybkości z obserwacji Dopplerowskich (mniejsza dokładność 10cm). Jednak błędy tych obserwacji nie mają cech białego szumu, co prowadzi do ich kumulacji w kolejnych epokach. Efekt ten można zniwelować, stosując filtr Kalmana lub np. metodę Position Dimain Hatch Filter. 13/40

14 mrtk Algorytm Cechy algorytmu: Metoda RTK pozycjonowanie relatywne w oparciu o pomiary fazowe. Dane stacji referencyjnej z systemu ASG EUPOS (Rtcm3/nTrip). Procedura szybkiej inicjalizacji procesu (1 lub kilka sekund). Detekcja ruchu odbiornika. Automatyczny wybór trybu (statyczny/kinematyczny) Praca w trybie kinematycznym nie pogarszająca dokładności rozwiązania. 14/40

15 mrtk Charakterystyka użytej metody Filtr Kalmana. Procedury ujednolicone dla trybów statycznego i kinematycznego (niezmienna forma wektora stanu i macierzy kowariancji). Etap predykcji realizowany jedynie w trybie kinematycznym. Predykcja realizowana w oparciu o wektor przesunięcia wyznaczany z przyrostów fazy i kontrolnie szybkości wyliczanej z obserwacji Dopplerowskich (jednocześnie detekcja ruchu). Zastosowana dodatkowa korekcja macierzy kowariancyjnej (macierz kowariancyjna zakłóceń systemu), niwelująca wpływ kolorowego szumu błędów przyrostu fazy. Etap korekcji wykonywany identycznie, niezależnie od trybu statycznego/kinematycznego. Równania obserwacyjne formułowane z użyciem techniki podwójnego różnicowania: eliminacja błędów atmosfery, zegarów satelitów, zegara odbiornika (szczególnie istotne z uwagi na dużą niestabilność zegara w odbiornikach SiRF). Rozpoznawanie przeskoków fazy na podstawie sygnalizacji odbiornika. Możliwość użycia zestawu satelitów użytych przez odbiornik (detekcja obserwacji obarczonych błędem wielodrożności SiRFIV). 15/40

16 mrtk wzory Predykcja: Etap realizowany, gdy ˆ Δx = [ ΔX ΔY ΔZ 0 L 0] T 1 x P k = xˆ + k k + 1 = Pk + xˆ, ˆ P, Q k x k k P k k +1 k + Δx Q k + 1 k Δx > V min Korekcja: T K ( ˆ )( ( ˆ ) ( ˆ k = Pk H xk H xk Pk H xk ) + Rk ) xˆ xˆ + K ( y h( xˆ )) k k = k k k k = ( I K k H ( xˆ k Pk P )) yk h(x) H (x) R k wektor stanu a prori, a posteriori macierz kowariancyjna stanu a prori, a posteriori macierz kowariancyjna zakłóceń systemu 1 wektor wartości pomierzonych wektor pomiarowy modelu macierz pochodnych cząstkowych macierz kowariancyjna błędów pomiaru wektor przesunięcia 16/40

17 Zostały opracowane moduły oprogramowania prototypowego, służącego zarazem do prowadzenia testów i dostrojenia technologii. jest gotowe do użytku i pozwala na realizację pomiarów i gromadzenie danych z wykorzystaniem urządzeń mobilnych oraz opracowanie wyników w trybie post processingu. Technologia jest gotowa do wdrożenia i implementacji na urządzenia mobilne, z przeznaczeniem do realizacji pomiarów lub precyzyjnej nawigacji w trybie czasu rzeczywistego. Funkcje programowe, opracowane w języku ANSI C++, w przypadku programów na komputer stacjonarny, lub Java ME w przypadku programów przeznaczonych na urządzenia mobilne, wymagają transferu do języka Dalvik Java, w celu opracowania oprogramowania przeznaczonego dla systemu Android. Zadanie jest ułatwione z uwagi na syntaktyczną zbieżność tych języków. Wobec dominującej popularności tego systemu na urządzeniach mobilnych i smartfonach, jego uniwersalności, otwartości i dostępności wymaganych rozwiązań technologicznych, optymalnym jest wybór systemu Android jako platformy działania systemu mrtk. 17/40

18 Moduły oprogramowania prototypowego na urządzenia mobilne (Java ME): Rtcm21 transfer danych w standardzie ntrip i dekodowanie danych Rtcm31 formatu rtcm. UniGPS rejestracja danych pomiarowych z odbiornika SiRF, sterowanie trybem pracy odbiornika, itp. 18/40

19 mrtk badania Moduły oprogramowania prototypowego na komputery PC (ANSI C++): Sirf2rinex dekodowanie danych binarnych formatu SiRF z zapisem do formatu RINEX. mrtk opracowanie wyników pomiarów GPS wykonanych fazowym odbiornikiem jednoczęstotliwościowym w trybie post processingu. 19/40

20 Program Sirf2rinex 20/40

21 Program mrtk 21/40

22 Wykonanych zostało kilkadziesiąt godzin pomiarów testowych różnymi odbiornikami (zaprezentowanymi w galerii). Na podstawie zgromadzonych danych zidentyfikowano różnego rodzaju problemy związane z niestabilnością pracy odbiorników, błędami transferu danych, itp. Pozwoliło to na opracowanie algorytmów odpornych na błędy lub minimalizujących skutek ich występowania. Pomiary prowadzone były w większości w optymalnych warunkach, zabezpieczających przed narażeniem na skażenie błędami wielodrożności (punkty na dachu budynku Wydziału), na punktach o znanych współrzędnych (pomiary statyczne). Jeden z punktów testowych zlokalizowany był na terenie osiedla z wysoką zabudową. Dla sprawdzenia działania algorytmów dla pomiarów w trybie kinematycznym, zasymulowano te pomiary wykonując kilka serii pomiarów statycznych rozdzielonych przeniesieniem pracującego odbiornika na dystansie kilkudziesięciu metrów i ponowne ustawienie go na tym samym punkcie. 22/40

23 23/40

24 : Powtarzalność wyznaczeń RoyalTek RBT 1000 (SiRF II), Motorola T805, Noka LD 3W, LD 4W (SiRF III) 24/40

25 : Powtarzalność wyznaczeń Noka LD 3W, Eten M800 (SiRF III) 25/40

26 : Indywidualne cechy odbiorników SiRF Motorola T805 (SiRF III) Moto1 / Moto2 26/40

27 : Wyliczanie obserwacji fazowych z częstotliwości nośnej RoyalTek RBT 1000 (SiRF II) Dostarczane / Generowane z Dopplera 27/40

28 : Czas inicjalizacji procesu Inicjalizacja na punkcie o znanych współrzędnych 1s 28/40

29 : Czas inicjalizacji procesu Inicjalizacja na punkcie o 1s / 1m 29/40

30 : Zagubione epoki wszystkie dostępne / brak epok: 6:20:00, 6:25:01 6:25:05 30/40

31 : Wiek poprawek wszystkie dostępne / brak poprawek: 6:20:00 6:22:00 = 2 min 31/40

32 : Wiek poprawek wszystkie dostępne / poprawki co 5s 32/40

33 : Problem całkowitych nieoznaczoności fazowych (fix/float) 33/40

34 : Tryb kinematyczny mrtk / rtklib 34/40

35 : Problem zakłóceń sygnału mrtk / rtklib (CS > 2ep + 2ep) 35/40

36 mrtk Metoda mrtk została zaprojektowana do realizacji precyzyjnego pozycjonowania GNSS z wykorzystaniem jednoczęstotliwościowych odbiorników fazowych SiRF współpracujących z urządzeniami mobilnymi. W metodzie założono wykorzystywanie poprawek referencyjnych systemu ASG EUPOS. Oferuje dokładność rzędu 1dcm w trybie statycznym i kinematycznym. Osiągnięcie zakładanej dokładności warunkowane jest czasem inicjacji procesu, wynoszącym do 30 minut. W trybie stacjonarnym czas inicjacji można skrócić o 50% wykorzystując kombinowany algorytm opracowania danych (forward+backward). Istnieje możliwość wykonywania pomiarów metodą poligonizacji GNSS, prowadząc pomiar w trybie kinematycznym, lub metodą stop and go, wychodzą z punktu o znanych współrzędnych, minimalizując do 1 lub kilku epok cza inicjalizacji. Technologia zapewnia automatyczną detekcję ruchu i przełączenie trybu (statyczny/kinematyczny) opracowania danych pomiarowych. Prace badawcze zostały ukończone. Technologia jest gotowa do wdrożenia. Możliwe są dalsze udoskonalenia w przyszłości. 36/40

37 oprogramowanie prototypowe i wdrożenie Opracowane oprogramowanie prototypowe pozwala obecnie na pozyskiwanie danych pomiarowych z wykorzystaniem urządzeń mobilnych (telefony komórkowe, smartfony) oraz opracowanie wyników w trybie postprocessingu. Przewiduje się wdrożenie technologii na urządzenia mobilne z systemem Android celem umożliwienia precyzyjnego pozycjonowania realizowanego w czasie rzeczywistym. Możliwym będzie zasilanie precyzyjną pozycją wyznaczoną w technologii mrtk dowolnych aplikacji klasy LBS (Location Based Services). 37/40

38 ograniczenia W wyniku badań testowych stwierdzono negatywny wpływ na wyniki pomiarów fazowych (przeskok fazy cycle slip) odziaływania otoczenia: np. użycie odbiornika we wnętrzu auta, uchwycenie odbiornika dłonią w celu jego przeniesienia na kolejny punkt, itp. Efektem może być istotny poziom utraty dokładności pozycjonowania. W celu zapewnienia wysokiej (decymetrowej) dokładności pomiarów rekomenduje się użycie zewnętrznych anten (bluetooth, USB), umieszczonych w sposób eliminujących wpływ oddziaływania otoczenia i ciała obserwatora: np. umieszczenie anteny na dachu auta, prowadzenie pomiarów z anteną umieszczoną na tyczce, ponad głową obserwatora. Wykorzystanie odbiorników wbudowanych, przy jednoczesnym wykorzystywaniu smartfonu jako konsoli sterującej, wydaje się problematyczne (wyjątek: nawigacja samochodowa w kabriolecie). 38/40

39 potencjalne obszary zastosowań Precyzja ( m): Mobilna kartografia (mobile mapping) Sterowanie maszynami (machine controll), np. w budownictwie drogowym, zautomatyzowanym rolnictwie Rolnictwo (precyzyjne nawożenie, monitoring wydajności) Leśnictwo Usługi komunalne Inteligentne systemy transportowe Projekty w obszarze inżynierii lądowej i wodnej Automatyczne, ciągłe monitorowanie obsunięć ziemi, lawin, poziomu rzek Monitorowanie deformacji budowli Sterowanie modelami latającymi Żeglarstwo Geocaching 39/40

40 DZIĘKUJĘ Z UWAGĘ BUDOWA SERWISÓW CZASU RZECZYWISTEGO SYSTEMU ASG EUPOS Projekt rozwojowy MNiSW nr NR / /40