Transcript Segédlet a 9. előadáshoz (Hibaforrások. Hálózati és egybázisos RTK)

GPS az építőmérnöki
gyakorlatban
A méréseket terhelő főbb hibaforrások (óra- és pályahibák, a
jelterjedéssel kapcsolatos hibák)
A méréseket terhelő hibák
A műhold órahibák
A műhold órahibák
A műhold pályahibák
A műhold pályahibák a földi követőállomásokon végzett mérésekkel határozhatóak meg.
A műhold pályahibák
Pályatípusok, és jellemző pontosságuk:
Pályatípus
Pályahiba
Látencia
Frissítés
Időbeli felbontás
Fedélzeti pályák
(broadcast)
kb. 100 cm
valós időben
kb. 2 óra
(4 óra érvényesség)
Ultra-rapid
(előrejelzett rész)
kb. 5 cm
valós időben
UTC 3h, 9h, 15h, 21h
15 perc
Ultra-rapid
(észlelt rész)
kb. 3 cm
3-9 óra
UTC 3h, 9h, 15h, 21h
15 perc
Rapid
kb. 2,5 cm
17-41 óra
UTC 17h
15 perc
Final
kb. 2,5 cm
12-18 nap
minden csütörtökön
15 perc
A műholdgeometria hatása
A helymeghatározás pontossága a mérések pontosságán kívül függ a geometriától is.
DOP (Dilution of Precision): megadja a felhasználó által észlelt távolsághiba (URE –
User Ranging Error) és a helymeghatározás eredményének hibája közötti viszonyt.
helyzethiba  DOP URE
PDOP  HDOP2  VDOP2
Relativisztikus hatások
Mind a műholdak, mind pedig a vevő eltérő gravitációs mezőben halad, és folyamatos
gyorsulásnak van kitéve. Emiatt figyelembe kell venni a speciális és az általános
relativitáselmélet következményeit.
Az órajárás figyelembevételére (ált. és spec. rel. elmélet) az műholdak oszcillátorainak
alapfrekvenciáját csökkentik:
f0S  10,2299999954
3MHz
A terjedés közegének a hatása – az ionoszféra
Feltételezzük, hogy a jelek konstans
c=299 792 458 m/s sebességgel haladnak,
de ez a légkör miatt nem igaz.
A légkör sebességmódosító hatását a
törésmutatóval jellemezzük:
n
c
v
A törésmutató függ:
- a helytől;
- az időponttól;
- a jel frekvenciájától/hullámhosszától
A légkör két fő részre osztható a jelterjedés szempontjából (ez nem feltétlenül esik
egybe a légkör szerkezetével):
- az ionoszféra (50-1000 km): a Nap ionizáló sugárzása miatt elektromos töltöttségű
részecskéket tartalmaz ez a réteg;
- a troposzféra: a légkör alsó kb. 12 km-es rétege. Itt található a légkör tömegének
jelentős része, ideértve a vízpárát is.
A terjedés közegének a hatása – az ionoszféra
Az ionoszféra:
- a rádióhullámok szempontjából diszperzív közeg (törésmutatója függ a sugárzás
frekvenciájától is)
- a törésmutató függ a Nap ionizáló ultraibolya sugárzásának az intenzitásától
(napszakok, évszakok, napfolttevékenység, földrajzi szélesség)
A fázis és a csoportsebesség:
Nézzük meg, hogy az elektromágneses jelek terjedése milyen összefüggésekkel
írhatók le.
A fázissebesség: egy egyszerű elektromágneses jel terjedési sebessége (pl. vivőjel)
vf    f
A csoportsebesség: több, egymástól kissé eltérő frekvenciájú jelek terjedési
sebessége (pl. kódok terjedése):
vcs  
df 2

d
Az ionoszféra hatásának mértéke
Iono

f
40,3
TEC
2
f
és
Iono
cs 
40,3
TEC
2
f
Az ionoszféra hatása mérsékelt égövben, átlagos körülmények között nyáron
Éjszaka:
10-15 TECU
->
L1 vivőjelre kb. 1,6-2,4 m
Déli órákban
50-75 TECU
->
L1 vivőjelre kb. 8-12m
A troposzféra
A troposzférában található a légkör tömegének túlnyomó része.
Nem diszperzív közeg, így nem kell megkülönböztetnünk a fázis- és a csoporttörésmutatókat.
A törésmutató mindig nagyobb mint 1!
A troposzféra hatására hosszabb távolságokat mérünk, mind a kódméréssel, mind
pedig fázisméréssel. A hatás mindkét esetben azonos.
A törésmutató függ:
- a légnyomástól;
- a hőmérséklettől;
- a parciális páranyomástól;
A törésmutató és a rekfraktivitás
A törésmutató:
n
c
v
A további levezetésekhez vezessük be a refraktivitás mennyiségét:
N  n 1106
A teljes troposzféra hatása (Thayer-integrál):
10-6 szorosa értelmezhető
a troposzféra okozta hatás
pontbeli értékeként is.
T  10 6  N ds
Smith-Weintraub szerint a 30 GHz-nél alacsonyabb frekvenciájú rádióhullámokra:
T  Td  Tw  10 6  N d ds  10 6  N w ds
A műhold irányú késleltetés meghatározása
A troposzféra okozta zenitirányú késleltető hatás átlagosan kb. 2,3 m, az átlagos
nedves késleltetés pedig ennek kb. 10%-a (0,2 m).
Vegyük észre, hogy a műholdirányú
korrekció 30°-os magassági szög alatt
eléri az 5 m-t, míg alacsonyabb
magassági szögek esetén akár 20 mes hibát is okozhat.
Ferdeségi szorzó értéke (DOY=200,
H=100)
12
10
F (E)
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
Magassági szög
60
70
80
90
Többutas terjedés (multipath)
A műhold jele a környező tereptárgyakról visszaverődve is a vevőbe juthat. A vevőbe a
direkt és az indirekt (visszaverődött) jelek interferenciájából előállt jel érkezik meg.
A kódtávolságokra több tíz méter is lehet a hatás, míg fázisméréseknél a ciklikus
ismétlődés miatt a hatás általában csak néhány centiméter.
Többutas terjedés (multipath)
A hatás periódusideje viszonylag hosszú (>10 min), ezért főként a rövidebb
méréseknél okoz problémát.
A hatás elkerülhető az álláspont körültekintő megválasztásával, de csökkenthető
megfelelő antenna v. antennakiegészítő (árnyékoló lemez) használatával is.
Ciklusugrás
A mért műhold fázismérés közben takaró tereptárgyak mögé kerül, majd azok mögül újra
előbukkan.
A helyreálló kapcsolat után a ciklusszámlálás újrakezdődik -> új ciklustöbbértelműséget
kell beiktatni.
Ha ezt elmulasztjuk, hibás fázistávolsághoz jutunk.

S t
R t
0
Megoldás:
1. Próbáljuk kerülni a kitakaró objektumokat az álláspont körül.
2. Relatív helymeghatározás esetén a feldolgozószoftverek segítségével detektálni kell
a ciklusugrásokat (hármas különbségek) – erről bővebben majd a GNSS elmélete és
felhasználása tárgyban.
Antenna fáziscentrumának külpontossága
Az antenna nem a geometriai középpontban észleli a műholdak jeleit, hanem az
elektronikai középpontban (fáziscentrumban).
Vízszintes fáziscentrum külpontosság: a fáziscentrum és az antenna geometriai
középpontjának függőlegese közötti eltérés.
Magassági fáziscentrum külpontosság: a fáziscentrum és a magassági viszonyítási pont
közötti magasságeltérés.
A feldolgozószoftverek a fáziscentrumok koordinátáit határozzák meg. Ha ismerjük a
fáziscentrum-külpontosságok értékeit, akkor a meghatározott koordináták átszámíthatók
a meghatározandó pontokra (alappontok, részletpontok). Emiatt kell beállítani az
antenna-típusokat a feldolgozóprogramokban.
Antenna fáziscentrumának külpontossága
A fáziscentrum-külpontosságának figyelembevétele:
-Ha ugyanolyan antennatípusokat használunk a hálózatban, akkor a hatás kiküszöbölhető
(feltéve, hogy nincs egyedi eltérés az antennák között);
- ismételt méréseknél (pl. mozgásvizsgálatok) ügyelünk arra, hogy az egyes pontokon
mindig ugyanaz az antenna kerüljön elhelyezésre;
- az antennákat minden esetben észak felé tájoljuk;
- különböző antennák esetén szükséges a fáziscentrum-modellek figyelembevétele
(magasságilag több cm-es hibát is okozhatunk, míg vízszintesen a hiba mm-es
nagyságrendű)
- ismételt méréseknél, illetve a GNSS infrastruktúra esetén fontos az antennák egyedi
kalibrációja.
Valósidejű kinematikus helymeghatározás (RTK)
XAP, YAP, ZAP
Adatátvitel: rádió adó-vevő; GSM telefon; GPRS-EDGE-3G mobil internet
Eszközök: korábban L1 (néhány km), ma L1&L2 (akár 30-40 km)
Valósidejű kinematikus helymeghatározás (RTK)
A referenciaállomás elemei:
• GPS vevő és antenna;
• RTK szoftver (a vevőbe építve);
• rádiókapcsolat (v. mobil internet,
stb.);
• adatbeviteli lehetőség (antennamag,
a referenciaállomás koordinátái, stb.)
A mozgó vevő (rover) elemei:
• GPS vevő és antenna, antennatartó
rúd;
• RTK szoftver (a vevőbe építve);
• rádiókapcsolat (v. mobil internet,
stb.);
• terepi kontroller (vezérlőegység)
• adatbeviteli lehetőség (antennamag,
a referenciaállomás koordinátái, stb.)
Önálló bázisállomás, illetve hálózati RTK megoldások
Önálló bázisállomásra épülő RTK helymeghatározás
- rövid távolságokon a különbségképzésekkel a hibahatások kiejthetőek;
- nagyobb távolságokon viszont már a nem modellezett hibahatások
miatt a pontosság csökken.
Önálló bázisállomás, illetve hálózati RTK megoldások
Hálózati RTK megoldások alapelve:
- referenciaállomás hálózatok esetén az adatok egységes
feldolgozásával a távolságfüggő hibák modellezhetőek;
- így a távolság függvényében a hibahatások interpolálhatóak, ezálatl
csökkenthető a nem modellezett hibahatások hatása
Hálózati RTK megoldások
Virtuális referenciaállomás (VRS)
A hálózati mérésekből a hibák együttes
modellezésével ún. virtuális állomás
észleléseket határoznak meg (kék) a rover
vevő helyzetében (vagy ahhoz közel).
Ezáltal mindig viszonylag rövid
bázisvonalról tudunk dolgozni, így a
távolságfüggő hibák hatása csökkenthető.
Megjegyzések:
- kétirányú adatkapcsolat (rover vevőnek
be kell küldeni a pozícióját);
- a VRS adatokat minden felhasználónak
központilag állítják elő (nagy számítási
teljesítmény kell);
- kinematikus méréseknél problémát
jelenthet a nagy megtett távolság (új VRS,
újra inicializálás)
Hálózati RTK megoldások
Felületi korrekciós paraméterek (FKP)
A hálózati mérésekből a hibák
modellezésével a távolságfüggő hibák
„felületét” határozzák meg, amelyeket a
sík paramétereivel adnak meg.
Ezáltal gyakorlatilag a paraméterek
segítségével akár VRS adatokat is
szolgáltathatunk, de elegendő egy
referenciaállomás adatainak + a korrekciós
paramétereknek a sugárzása is.
Megjegyzések:
- elvileg elegendő egyirányú adatkapcsolat;
- a korrekciós paraméterek alapján a
bázisállomás adatait a rover vevő állítja
elő;
- nagy magasságkülönbségek okozhatnak
problémát (ha a rover vevő, és a
bázisállomások magasságai
nagymértékben eltérnek)
Hálózati RTK megoldások
Felületi korrekciós paraméterek (FKP)
Minden állomásra,
Minden műholdra,
Minden jelre (L3, LNL)
Egy-egy sík paramétere
r0  6.37N0    R   E0   R cos R 
rI  6.37H N I    R   EI   R cos R 
ahol:
N0, E0 – FKP É-D és K-NY-i komponense az L3 jelen
NI, EI – FKP É-D és K-NY-i komponense az LNL jelen
R, R – a referencia állomás koordinátái
r0 – az ionoszféra mentes jel távolságfüggő
hatása
rI – az ionoszférával terhelt NL jel távolságfüggő
hatása
3
E

H  1  16 0.53  


ahol:
E – a műhold magassági szöge radiánban
Hálózati RTK megoldások
Felületi korrekciós paraméterek (FKP)
 120
rI
 154
 154
r2  r0  
rI
 120
r1  r0  
Így a távolságfüggő hibahatásokkal javított
fázistávolság:
SP, jav  SP  rPS
Hálózati RTK adatok/korrekciók továbbítása
Korábban többféle eljárást használtak:
- Telefon (GSM);
- rádiójel (főként DGPS korrekciókra);
- GPRS modem;
Ma már szinte kizárólag a mobil internet hálózat használatos erre a célra (GPRS,
EDGE, 3G, …).
NTRIP (Networked Transport of
RTCM via Internet Protocol):
- egy módosított IP alapú
rádiósugárzásra kifejlesztett
szoftver, amely a GNSS adatok
valós idejű továbbítását lehetővé
tevő RTCM formátumú
üzeneteket továbbítja;
- szerver – broadcaster - kliens