Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS. Mariusz Kacprzak

Transkrypt

1 Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS Mariusz Kacprzak

2 Plan prezentacji: 1) Omówienie podstaw funkcjonowania GPS 2) Zasada wyznaczenie pozycji w GPS 3) Błędy wyznaczania pozycji 4) Sposoby korekcji błędów GPS 5) Wyznaczanie pozycji UAV z wykorzystaniem lekkich odbiorników GPS 6) Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych Sieć stacji permanentnych GBAS (ASG-EUPOS) Wykorzystanie poprawek SBAS 7) Integracja GPS z jednostką IMU 8) Przegląd obecnie funkcjonujących i nowo rozwijanych rozwiązań 9) Literatura Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (01 /33)

3 Omówienie podstaw funkcjonowania GPS Historia GPS sięga lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, pierwszy z eksperymentalnych satelitów bloku I został wysłany w roku 1978, od tego czasu trwa nieustanny, prężny rozwój technik satelitarnych. segment kosmiczny System GPS składa się z trzech głównych segmentów: segment użytkownika segment kontrolny Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (02 /33)

4 Omówienie podstaw funkcjonowania GPS: Segment kosmiczny Podstawowe parametry: Okres obiegu: 11h58 00 Nachylenie orbity: 55 O Liczba płaszczyzn: 6 Źródło: Liczba satelitów: 24 (32) Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (03 /33)

5 Omówienie podstaw funkcjonowania GPS: Segment kontrolny Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (04 /33)

6 Omówienie podstaw funkcjonowania GPS: Segment kontrolny Stacja centralna Stacja monitorująca Odbiór danych z satelitów Komunikacja ze stacjami naziemnymi Wysyłanie depesz nawigacyjnych Nadzór stacji naziemnych Podejmowanie decyzji o naprawie oraz wymianie elementów systemu Decyzje o korektach orbit Współpraca z jednostkami zajmującymi się nawigacją satelitarną Ciągły odbiór sygnałów z satelitów Nadzorowanie poprawności działania segmentu kosmicznego Przesyłanie informacji do Głównego Centrum Kontroli Śledzenie oraz telemetryczne sprawdzanie orbit satelitarnych Zbieranie danych do obliczenia poprawek jonosferycznych i pomiaru czasu Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (05 /33)

7 Zasada wyznaczania pozycji w GPS Satelity są wyposażone w zegary atomowe. To pozwala im wysyłać dokładnie w tym samym czasie pewien określony sygnał radiowy. Dociera on do odbiornika z różnym opóźnieniem, zależnie od odległości danego satelity. Odbiornik wytwarza taki sam sygnał i w tej samej chwili. Porównując opóźnienie sygnałów satelitarnych względem własnego oblicza czasy. Mnożąc je przez prędkość otrzymuje odległości. Częstotliwość podstawowa oscylatora (zegara): 10,23MHz Fale nośne L1 oraz L2 L1 = 154 * 10,23 MHz = 1575,42 Mhz L2 = 120 * 10,23 MHz = 1227,60 MHz Informacja kodowa - Navigation Message: Almanach, przybliżone położenie satelity Współczynniki modelu opóźnienia jonosferycznego Poprawki zegarów satelitarnych Efemerydy pokładowe satelitów Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (06 /33)

8 Zasada wyznaczania pozycji w GPS Pomiar z wykorzystaniem GPS wymaga odbiornika, który śledzi sygnał nadawany przez satelity. Dzięki pomiarowi pseudoodległości możemy wyznaczyć położenie punktu w układzie WGS84. Dane wejściowe: Znane współrzędne satelitów X, Y, Z Pseudoodległości do satelitów: R1, R2, R3, R4 Wielkości wyznaczane Wyznaczane wielkości: X, Y, Z Błąd zegara odbiornika Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (07 /33)

9 Zasada wyznaczania pozycji w GPS R (k) = X k X 2 + Y k Y 2 + Z k Z 2 b k = 1, 2, 3 n: numery kolejnych satelitów b: błąd zegara satelity Dokładności pomiarów GPS: Odbiornik autonomiczny: typowo 4-6 [m] (nawet do 20 m) Pomiary autonomiczne z poprawkami DGPS (Globalne): 1,5 4 [m] Pomiary względne z poprawkami fazowymi: Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (08 /33)

10 Błędy wyznaczania pozycji Błędy grube w pomiarach GPS refrakcja jonosferyczna 2-50 m błąd zegara 5-10 m refrakcja troposferyczna 2-30 m Wielodrożność sygnału 0,2-3 m błąd orbity 10 m Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (09 /33)

11 Błędy wyznaczania pozycji Oryginalny sygnał Sygnał odbity Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (10 /33)

12 Błędy wyznaczania pozycji Na dokładność pomiaru GPS wpływ ma głównie błąd pomiaru pseudoodległości między odbiornikiem, a satelitą. Obecnie stosowane odbiorniki mogą mierzyć przesunięcie fazowe z bardzo wysoką dokładnością, nawet do 1% długości fali, równej odpowiednio 19 i 24 [cm] dla L1 i L2. Bardzo mały wpływ błędu pomiary fazy! Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (11 /33)

13 LATO: DZIEŃ LATO: NOC Autor: Mariusz Kacprzak Błędy wyznaczania pozycji Jonosfera: ZIMA: DZIEŃ ZIMA: NOC 60 km 100 km 350 km 400 km sygnał podczas przejścia przez jonosferę jest zwalniany duża zmienność w czasie jest przyczyną generowania największego błędu wartość błędu, nawet kilka metrów (do 50 m) transmitowany model opóźnienia jonosferycznego pozwala na redukcje do 50% wartości błędu wartość opóźnienia można wyliczyć stosując pomiary na dwóch częstotliwościach L1 i L2 Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (12 /33)

14 Błędy wyznaczania pozycji DOP (Dilution of Precision) GDOP (geometryczny), PDOP (pozycji), HDOP (pozycji poziomej), VDOP (pozycji pionowej), TDOP (czasu), DOP przyjmuje wartości 1 DOP <1,3> bardzo dobry DOP <3,6> akceptowalny, Dla DOP > 6 nie powinno się wykonywać pomiarów precyzyjnych SNR (Signal-to-Noise Ratio) Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (13 /33)

15 Błędy wyznaczania pozycji Źródło błędu pomiaru pseudoodległości (przy stosowaniu się do wytycznych dot. pomiaru) Wielkość błędu [m] Segment Segment kosmiczny Przyczyna Wzorzec czasu satelity 1 2 Prognoza perturbacji orbit 1 2 Propagacja sygnału z satelity do użytkownika Jonosfera (pomiar na dwóch częstotliwościach) Jonosfera (dobry model) Jonosfera (model podstawowy) Jonosfera (model uproszczony) 0,01 0, Troposfera 0,1 0,7 Wielodrożność 0,01 2 Segment użytkownika Szumy odbiornika 0,2 1 Sprzęt komputerowy 0,1 1 Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (14 /33)

16 Sposoby korekcji błędów GPS Pomiary statyczne: prowadzone w tym samym czasie przez co najmniej dwa odbiorniki dostarczają danych, które następnie w postprocessingu pozwalają na wyznaczenie wektora przesunięć między punktami, dokładność wyznaczenia wektora przesunięcia wynosi kilka milimetrów!!! Pomiary kinematyczne i ich opracowanie w postprocessingu: w przypadku gdy teren nie jest pokryty siecią GSM Pomiary RTK: w przypadku gdy teren jest pokryty siecią GSM Większość błędów można wyeliminować dzięki zastosowaniu pomiarów różnicowych!!! Pomiar pseudoodległości między satelitą, a odbiornikiem obarczony jest podobnym co do wielkości i takim samym co do znaku błędem związanym z propagacją fali. Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (15 /33)

17 Sposoby korekcji błędów GPS Błędy korygowane przez pomiary różnicowe Błąd zegara satelity Błąd efemeryd Opóźnienie jonosferyczne i troposferyczne!!! Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (16 /33)

18 Sposoby korekcji błędów GPS Y Y X X X = R cos(ωt+φ) Y = R sin(ωt+φ) X = R cos(ωt+φ) Y = R sin(ωt+φ) Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (17 /33)

19 Sposoby korekcji błędów GPS Y Y X X X = R cos(ωt+φ) Y = R sin(ωt+φ) X = R cos(ωt+φ) + dx Y = R sin(ωt+φ) + dy Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (17 /33)

20 Sposoby korekcji błędów GPS Y Y X X X = R cos(ωt+φ) Y = R sin(ωt+φ) Dużo lepiej wprowadzić poprawkę do prędkości kątowej!!! Nie spowoduje to pogorszenia wyznaczenia pozycji w kolejnym momencie czasowym. Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (17 /33)

21 Wyznaczanie pozycji UAV z wykorzystaniem lekkich odbiorników GPS Dotychczas Bezzałogowe statki najczęściej pozycjonowane są z wykorzystaniem lekkich odbiorników jednoczęstotliwościowych, takie rozwiązanie daję dokładność bezwzględna na poziomie kilkunastu metrów!!! W ten sposób wyznaczana jest pozycja zarówno: samoloty multicoptery Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (18 /33)

22 Wyznaczanie pozycji UAV z wykorzystaniem lekkich odbiorników GPS Jak więc możliwa jest realizacja zadania hold position? dokładność bezwzględna dokładność względna Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (19 /33)

23 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych (pomiary dyferencyjne: DGPS) Autor: Mariusz Kacprzak Pomiary różnicowe opierają się na danych ze stacji bazowej. Współrzędne stacji bazowej muszą być wyznaczone z bardzo dużą dokładnością Poprawki różnicowe wyznaczane są dla poszczególnych satelitów. Poprawki transmitowane są ze stacji referencyjnej do odbiornika ruchomego. Poprawki transmitowane są w główne formacie RTCM, najczęściej poprzez łącze GPRS. Wyznaczana jest pozycja odbiornika w przyjętym układzie odniesienia Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (20 /33)

24 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych (pomiary dyferencyjne: DGPS) Autor: Mariusz Kacprzak Źródło: Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (21 /33)

25 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych Sieć stacji permanentnych GBAS (ASG-EUPOS) Autor: Mariusz Kacprzak Obszar Polski jest pokryty stacjami referencyjnymi, pozycja każdej z nich jest znana z submilimetrową dokładnością. W pomiarach RTK (Real Time Kinematic) prowadzonych z wykorzystaniem ASG-EUPOS rolę stacji bazowej przejmuje system. Oprogramowanie sterujące w Centrum Zarządzania przetwarza dane ze stacji i generuje poprawki, które są wysyłane do użytkownika. Odległości między stacjami wynoszą maksymalnie około km Wszystkie serwisy czasu rzeczywistego systemu ASG-EUPOS dostępne są pod adresem IP: lub pod nazwą domenową: system.asgeupos.pl, na odpowiednich portach. Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (22 /33)

26 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych Sieć stacji permanentnych GBAS (ASG-EUPOS) Autor: Mariusz Kacprzak Rodzaj Nazwa Metoda pomiaru Transmisja danych Częstotliwość przesyłania poprawek [s] Zakładana dokładność Minimalne wymagania sprzętowe NAWGEO kinematyczna (RTK) 1 do 0,03 m (poz.) do 0,05 m (pion.) Odbiornik L1/L2 RTK, moduł komunikacyjny Serwisy czasu rzeczywistego KODGIS Internet, GSM (GPRS) 3 do 0,25 m kinematyczna NAWGIS (DGPS) 1 do 3 m Odbiornik L1 DGPS, moduł komunikacyjny Serwisy post- processingu POZGEO POZGEO D statyczna statyczna, kinematyczna Internet Zależna od warunków pomiarowych (0,01-0,10 m) Odbiornik L1 Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (23 /33)

27 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych Sieć stacji permanentnych GBAS (ASG-EUPOS) Autor: Mariusz Kacprzak Zalecenia techniczne GGK: Pomiary satelitarne oparte na systemie stacji referencyjnych Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (24 /33)

28 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych Sieć stacji permanentnych GBAS (ASG-EUPOS) Autor: Mariusz Kacprzak Zasada korzystania z usług w czasie rzeczywistym: Inicjalizacja odbiornika przesłanie swojej przybliżonej pozycji Obliczenie poprawki w centrum obliczeniowym Przesłanie poprawki różnicowej do użytkownika Wyznaczenie pozycji w odbiorniku użytkownika Źródło: Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (25 /33)

29 Wykorzystanie poprawek ze stacji referencyjnych Wykorzystanie poprawek SBAS Avalibility: 99,999% Error detect: 6.2 seconds Wide Area Augmentation System: WAAS Dokładność: 1 7,5 [m] Dokładność: [m] Multi-functional Satellite Augmentation System: MSAS European Geostationary Navigation Overlay Service: EGNOS Dokładność: 1 7 [m] Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (26 /33)

30 Integracja GPS z jednostką IMU data/assets/image/0008/358640/carousel_image6.jpg Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (27 /33)

31 Integracja GPS z jednostką IMU GPS/INS, jest systemem nawigacyjnym w pełni autonomicznym OFFLINE Integracja INS z GPS, wpływa na znaczną poprawę wyznaczenia współrzęddnych z GPS INS dostarcza pełnej informacji nawigacyjnej, 6 stopni swobody INS dostarcza dane o pozycji z dokładnością większą niż dane wejściowe z GPS Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (28 /33)

32 Przegląd obecnie funkcjonujących i nowo rozwijanych rozwiązań Autor: Mariusz Kacprzak KINEXON: Aplikacja do monitorowania sportowców z centymetrową dokładnością zwyciężyła w X edycji Europejskiego Konkursu Nawigacji Satelitarnej w 2013 roku. KINEXON CELL pozwala na śledzenie pozycji sportowców z centymetrową dokładnością KINEXON APP is a secure cloudcomputing platform with a smart analytics application. It transforms big sensor data into valuable information in real time. Our first product is a portable, cloud-based athlete monitoring system designed for all types of sports, including football, tennis, and American football. Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (29 /33)

33 Przegląd obecnie funkcjonujących i nowo rozwijanych rozwiązań Autor: Mariusz Kacprzak Główne składowe Ruchomy czujnik Komputer / Tablet Stacja bazowa Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (30 /33)

34 Przegląd obecnie funkcjonujących i nowo rozwijanych rozwiązań Autor: Mariusz Kacprzak KICKSTARTER: Piksi the RTK GPS Receiver Low-cost RTK GPS receiver (centimeter level precision) with open source software and board design targeted at UAVs. Źródło: We designed Piksi with the belief that providing this level of positioning precision at a radically lower cost would open it up to a much wider range of applications. We are particularly excited about its use in autonomous vehicle systems. Civilian and hobbyist use of UAVs has increased dramatically over the last few years, yet highly accurate, low cost localization solutions are not available yet. We hope that Piksi will help to fill this gap and push the envelope of what is possible with these systems Źródło: Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (31 /33)

35 Przegląd obecnie funkcjonujących i nowo rozwijanych rozwiązań KICKSTARTER: Piksi the RTK GPS Receiver Autor: Mariusz Kacprzak Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (32 /33)

36 Literatura Źródła internetowe: 1) 2) 3) 4) Publikacje naukowe: 1) Systemy satelitarne, GPS, Galileo i inne Januszewski J. (2010) 2) Navstar GPS. Od teorii do praktyki Lamparski J. (2007) 3) GPS w praktyce geodezyjnej Lamparski J. (2007) 4) System GPS - Specht C. M (2007) Przegląd metod zwiększania precyzji danych GPS (33 /33)