OPRACOWANIE DANYCH GPS
OPRACOWANIE DANYCH GPS
CZ
ŚĆ I
CZ
ŚĆ I
WPROWADZENIE DO GPS
WPROWADZENIE DO GPS
Bernard Kontny
Bernard Kontny
Katedra Geodezji i Fotogrametrii
Katedra Geodezji i Fotogrametrii
Akademia Rolnicza we Wrocławiu
Akademia Rolnicza we Wrocławiu
ZAGADNIENIA
" Ogólny opis systemu GPS
" Struktura sygnału
" Pomiar kodowy i fazowy
" Błędy pomiarowe
" Metody pomiarów
" Struktura danych pomiarowych
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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.
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Struktura systemu
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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)
IIA IIR
" Block IIF (F  Follow on)
" Block III
 See http://www.spaceandtech.com/spacedata/constellations/navstar-gps-
block1_conspecs.shtml
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Segment kontrolny
" Globalna sieć stacji:
 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
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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
� = N* + n*  (carrier-phase measurements  pomiary fazowe)
" Mierząc odległość do kilku satelitów, których pozycja jest znana,
możemy wyznaczyć pozycję odbiornika (przestrzenne wcięcie
liniowe)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
GPS Positioning  pozycjonowanie GPS
GPS Positioning  pozycjonowanie GPS
4 satelity
Latitude
Longitude
Height
Time
or
X, Y, Z, t
Dokładność wyznaczenia pozycji ok. 10 m.
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Differential GPS
Differential GPS
Satelita odniesienia
Różnicowy GPS
Różnicowy GPS
3
2 4
5
1
2 - 1
2 - 3
2 - 4
2 - 5
DX, DY, DZ
Rover
Reference
Dokładność wyznaczenia pozycji względnej: 1-10 mm.
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Sygnał GPS
L1 carrier (154*10.23 MHz)
L1 carrier (154*10.23 MHz)
P code + C/A code + data message
P code + C/A code + data message
L2 carrier (120*10.23 MHz)
L2 carrier (120*10.23 MHz)
P code + data message
P code + data message
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Obserwacje GPS
Pomiary pseudoodległości
(nawigacja, pozycjonowanie)
P = c (T + dT  t - dt) + d ion + d trop + d mp + e
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Obserwacje GPS
Pomiary fazowe
Pomiary fazowe
(Pomiary geodezyjne, geodynamika, itp.)
(Pomiary geodezyjne, geodynamika, itp.)
Ś = � + c (dT - dt ) +  N - d ion + d trop + d mp + e
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Obserwacje GPS
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Obserwacje różnicowe GPS
Pojedyncza różnica Podwójna różnica Potrójna różnica
Ś = � + c (dT - dt ) +  N - d ion + d trop + d mp + e
""Ś = "" � + ""  N - "" d ion + "" d trop + "" d mp + e
""Śi,i+1 = ""�i,i+1 - ""d ioni,i+1 + "" d tropi,i+1 + ""d mpi,i+1 + e
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Kombinacje liniowe częstotliwości
LC = a x L1 + b x L2
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Kombinacje liniowe częstotliwości
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Kombinacje liniowe częstotliwości
Wąska Ścieżka - Narrow lane LCs
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Podstawowe z
ródła błędów
P = c (T + dT  t - dt) + d ion + d trop + d mp + e
Ś = � + c (dT - dt ) +  N - d ion + d trop + d mp + e
""Ś = "" � + ""  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. Opóz
nienie jonosferyczne (eliminowane przez kombinację L1/L2)
5. Opóz
nienie 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)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Orbity
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Przeskoki fazy
8000000
L1_phase L2_phase
6000000
4000000
2000000
Cycle slip at L2
0
-2000000
18.8 19.0 19.2 19.4 19.6 19.8
Hrs
""Śi,i+1 = ""�i,i+1 - ""d ioni,i+1 + "" d tropi,i+1 + ""d mpi,i+1 + e
Phase (cycles)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Opóz
nienie atmosferyczne
Sygnał GPS
Jonosfera
Troposfera
> 10 km
< 10 km
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Wpływ jonosfery
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Wpływ jonosfery
500
Kinematic 100 km baseline
250
0
L1 North L2 North LC North
-250
RMS 50 mm L1; 81 mm L2; 10 mm LC (>5 satellites)
-500
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
500
250
0
-250
L1 East L2 East LC East
RMS 42 mm L1; 68 mm L2; 10 mm LC (>5 satellites)
-500
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Time (hrs)
(mm)
(mm)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Wpływ troposfery
Obliczenie opóz
nienia troposferycznego z modelu (np. modelu Hopfield)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Wielotorowość (Multipath)
Satellite
" Unikać odbijających płaszczyzn
" Stosować talerze przeciwodbiciowe (ground plane)
" Stosować anteny i odbiorniki redukujące efekt
GPS
Antenna
Powierzchnia odbijająca
l
a
gn
i
S
d
e
t
c
l
e
l
l
f
a
e
R
gn
na
i
S
g
i
t
c
S
e
r
i
d
D
e
t
c
e
l
f
e
R
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Zmienność centrum fazowego anteny
Antenna Calibration file
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Geometria satelitów
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Szum pomiarowy
a)
b)
c)
a) L1 frequency - 4.4 mm
b) L2 frequency - 6.6 mm
c) L1/L2 combination - 12.8 mm
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
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
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
System odniesienia
H
h
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Metody pomiarowe
Pomiary statyczne (static)
Pomiary statyczne (static)
Pomiary szybkie statyczne (rapid static)
Pomiary szybkie statyczne (rapid static)
Pomiary  Stop-and-go
Pomiary  Stop-and-go
Pomiary kinematyczne (continous kinematic)
Pomiary kinematyczne (continous kinematic)
Pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym
Pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym
Real-time kinematic (RTK)
Real-time kinematic (RTK)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Pomiary statyczne
na statywach lub filarach obserwacyjnych
na statywach lub filarach obserwacyjnych
duże odległości (10 km do tysięcy km)
duże odległości (10 km do tysięcy km)
długie sesje (godziny, dni, permanentnie)
długie sesje (godziny, dni, permanentnie)
pomiary osnów, pomiary badawcze
pomiary osnów, pomiary badawcze
jednoczesne obserwacje na wielu punktach
jednoczesne obserwacje na wielu punktach
interwał rejestracji od 5 do 30 sekund
interwał rejestracji od 5 do 30 sekund
redukcja wielotorowości
redukcja wielotorowości
opracowanie danych w Post-processingu
opracowanie danych w Post-processingu
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Pomiary szybkie statyczne
Stacja
krótsze odległości (do 10 km)
krótsze odległości (do 10 km)
referencyjna 2
1
krótsze sesje (10 minut)
krótsze sesje (10 minut)
zagęszczenie osnów (III klasa)
zagęszczenie osnów (III klasa)
2
interwał rejestracji 1-10 sekund
interwał rejestracji 1-10 sekund
3
obliczenia w post-processingu
obliczenia w post-processingu
2 stacje referencyjne wymagane
2 stacje referencyjne wymagane
4
Stacja
referencyjna 1
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Pomiary  stop and go
odległości do 1 km
odległości do 1 km
obserwacje 1 minutowe
obserwacje 1 minutowe
interwał sekundowy
interwał sekundowy
wymagana inicjalizacja
wymagana inicjalizacja
ciągła rejestracja minimum
ciągła rejestracja minimum
czterech tych samych satelitów
czterech tych samych satelitów
inicjalizacja
Stacja referencyjna
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Pomiary kinematyczne
wymagana inicjalizacja
wymagana inicjalizacja
ciągły pomiar
ciągły pomiar
interwał rejestracji 1 sekunda
interwał rejestracji 1 sekunda
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym (RTK, DGPS)
radio
korekta
antena
antena
dane obs.
radio
Stacja bazowa
Stacja mobilna (rover)
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Dane pomiarowe
obserwacje (L1, L2, C/A, P1, P2, D1, D2)
obserwacje (L1, L2, C/A, P1, P2, D1, D2)
orbity (parametry orbit pokładowych)
orbity (parametry orbit pokładowych)
dane stanowiskowe (site information)
dane stanowiskowe (site information)
nazwa punktu (skrót 4-znakowy)
nazwa punktu (skrót 4-znakowy)
czas pomiaru (początek, koniec)
czas pomiaru (początek, koniec)
wysokość anteny (ew. ekscentr anteny)
wysokość anteny (ew. ekscentr anteny)
szkic przesłonięcia horyzontu
szkic przesłonięcia horyzontu
inne informacje
inne informacje
dane meteo
dane meteo
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Polowy dziennik pomiarowy
Koniec części I