400 likes | 650 Views
Funderingar och visioner kring nätverks-RTK. Jan Johansson SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut. Jonosfär. Troposfär. Satellitens positions- och tidsfel. Geometri. Antenner och hårdvara. Satellitbaserad navigation. Signalen. Satelliter Markstationer Användare.
E N D
Funderingar och visioner kring nätverks-RTK Jan JohanssonSP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut
Jonosfär Troposfär Satellitens positions- och tidsfel Geometri Antenner och hårdvara Satellitbaserad navigation Signalen • Satelliter • Markstationer • Användare 3 Segment i GNSS
Global Navigation Satellite Systems GPS GLONASS 24 satelliter ??? ~11.25 h omloppstid Inklination (63) bra för höga latituder Ingen SA eller AS 2 frekvenser 24+ satelliter (36) ~12 h omloppstid Inklination (55) AS (och SA?) 2 frekvenser (3)
Hur fungerar GPS? X1, Y1, Z1, T1 t1 c(t1-T1) = R1
Flera satelliter behövs! X2, Y2, Z2, T2 X1, Y1, Z1, T1 R2 = c(t2-T2) c(t1-T1) = R1 Signalen går ungefär med ljusets hastighet dvs 300 000 000 meter/sekund Avståndet till satelliten är 20 000 000 meter eller mer För att kunna mäta avstånd med en noggrannhet av 3 meter krävs att tidmätningen i mottagaren kan göras med en noggrannhet av 10 nanosekunder (0,00000001 sekunder)!
Med 4 satelliter fungerar det Mottagaren erhåller: Latitud, Longitud, Höjd, och Tid
Felkällor? X2, Y2, Z2, T2 X1, Y1, Z1, T1 r2= R2+ dR2 = c(t2-T2)+dR2 r1= R1+ dR1 = c(t1-T1)+dR1 Satelliterna är inte där de säger att de är (~ 3-5 meter fel) Satelliternas klockor är inte perfekta (mindre än 1 meter fel) Jordens atmosfär påverkar signalens hastighet (1-10 meter ibland mer)
Bra “geometri”! Rutan visar inom vilket område en mottagare kan befinna sig ~5 meter
Klart sämre “geometri”! Större ”ruta” än förra bilden ”Dilution Of Precision” - DOP ~5 meter
Viktiga felkällor vid GNSS-användning • Satellitens position i varje ögonblick • Satellitens tid (klocka) i varje ögonblick • Signalens påverkan (fördröjning) i jordens atmosfär - Troposfären (0-10 km över markytan) - Jonosfären (50-1000 km över markytan) • Den utsända signalens kvalitet • Antalet satelliter och var de är (geometri) • Användarens (mottagarens) egna ”brister”) - Antennplacering - Reflektioner i omgivning - Mottagarens kvalitet
Vad påverkar ban- och klockfel • Alla GNSS satelliter placerade i en bana med välkända effekter • Klockorna (oscillatorerna) ombord är bästa tänkbara atomklockor (OBS också för att generera stabila signaler) • Alla satelliter följs (spåras) kontinuerligt av stationer på marken som observerar och predikterar satelliternas position och klockor - Hur många markstationer finns? - Var finns de? - Hur ofta skickas prediktionerna upp till satelliterna?
Banparametrar IGS civila nät ger 5-10 cm i efterhand Ger för GPS idag 3-5 m Även satellitklockorna har betydelse!!! Regel: På 10 nanosekunder rör sig signalen 3 meter
Mängden fria elektroner som högst på höjder 300-400 km. • Antalet fria elektroner ökar på dagen och minskar igen på natten • Satellitsignalen ”skakar” atomerna och ger upphov till signalfördröjning som är proportionell mot ”Total Electron Content” (TEC) och 1 / f ². Height (km) midnight noon # free electrons per m³
Troposfären • Nedersta lagret av atmosfären (0 - 10 km höjd) • Molekyler i troposfären fördröjer satellitsignalen • Alla GNSS signaler påverkas lika (dvs. inget frekvensberoende) • Den totala fördröjningen av signaler utsända från en satellit i zenit är motsvarar 2.5 meter i signalväg om mottagaren befinner sig vid havsnivå • Större delen kommer av effekter av alla molekyler utom vattenånga (ca 2.2 meter) och kan väl bestämmas med mätningar av lufttryck eller modeller • Vattenångan står för 0-30 cm och är mycket svår att mäta/modellera/prediktera Ljushastighet i vakuum - c0 c1 c2 c3 cn
Den utsända signalens betydelse • Stabiliteten på den utsända signalen beror av kvalitén på klockor (frekvensgeneratorer) ombord på satelliterna • Kodningen har betydelse för kvaliteten på data som mottagaren registrerar (förhållandet mellan önskad signal och oönskad dvs brus) • Val av bärvågsfrekvens har betydelse för dämpning och fas-vridning på signalvägen (atmosfären) • Valet av kod- och bärvågsfrekvenser har betydelse för antennen egenskaper och eventuella störningar i närfältet • Fördröjningen som orsakas Jonosfären kan nästan bestämmas genom användning av 2 frekvenser
GNSS Signalen (GPS) • Varje satellit sänder ut unika digitala koder C/A kod 1.023 MHz 300 m 3 m P kod 10.23 MHz 30 m 30 cm Satellitmeddelande 50 bps • Men dessa signaler kan inte ta sig fram genom jordens atmosfär utan att ”bäras fram” av en bärvåg. Det finns två olika på dagens GPS L1 = 1575 MHz = 19.0 cm 2 mm L2 = 1227 MHz 2 = 24.4 cm Redan 1978 kom idén att även mäta på bärvågen
Hur använder man GNSS Signalen (GPS) Kodmätning • Kräver minst 4 satelliter • Absolut < 25 m (OBS: Spec. < 100 m) • Differentiellt < 3 m Bärvågsmätning i realtid • Kräver tillgång till minst 5 satelliter • Absolut mätning ej möjlig idag • Differentiellt (relativt) 1 cm
v = 4 km/s 20200 km 1000 km 50km 10 km Avstånd ?? km Bärvågsbaserade metoder: Periodobekanta och atmosfären Bärvågen innehåller ingen information: Hur många perioder av bärvågen finns mellan satellit och mottagare vid start? Atmosfärsfördröjningen måste vara känd på cm-nivå Jonosfären kan beräknas om man har 2 eller flera frekvenser (signaler) Troposfären största problemet Relativa mätningar!!! Våglängd = 19 cm ==> mindre än 1 nanosekund
RTK-mätning 10 km 2 cm noggrannhet • L1 och L2 kod och bärvåg • Datakanal GPS/RTK teknik användes vid byggandet av Öresundsbron
”Virtual” Reference stations - VRS ”Rover” sänder sin kodlösningtill operatör av basstationer Beräkning av felmodell baserad på data från alla basstationer Ta fram ”virtuella” data för den plats ”Rovern” befinner sig Ref 1 Ref 2 “Rover” kod/VRS Ref 3 Ref 4 Modell av fel och geometri Data in ”Rådata” ut
Fasta referensstationer ger information om atmosfären Tid & position Jonosfär Troposfär
Jonosfären 7 oktober, 2001 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Mörkblå: 0 meter fördröjning Mörkröd: mer än 10 meter fördröjning på L1
Troposfären (Stoew et al., 2001) • Beräkningar i realtid av troposfärens påverkan på signalen omkring SWEPOS-stationen i Jönköping • Metoden används i SWEPOS idag • Vi jämför här med efterberäknade värden
Geometri och blockering av signaler 1 För få signaler för att kunna mäta
Geometri och blockering av signaler 2 Fler satelliter > 5 tillgängliga Noggrannhet dock fortfarande begränsad pga dåliga geometri
GNSS data används för att ge information om felkällor Position & Tid Jonosfär Troposfär
Vad är GALILEO? Europeiskt system under utveckling 27+ satelliter i 3 banplan Högre höjd och inklination än GPS Bättre atomklockor på satelliterna och satellitpositioner 3 frekvenser Inga avsiktliga störningar, förbättrad signalstyrka och tillgänglighet Bättre noggrannhet och kontroll inbyggt i systemet (integritet och korrektioner) Samma tillämpningar som GPS Galileo skall kunna användas samtidigt som GPS
Varför GALILEO? Innehåll Tekniska motiv jmf med GPS idag • Bättre nät av markstationer => högre noggrannhet på utsända ban- och klockparametrar • Bättre signalgenerator (som genererar klockan) => bättre signalkvalitet • Fler signaler (bärvågor) => bra beräkning av fördröjning i jonosfären • Bättre kodning => bättre signal/brus Eftersom GPS också går framåt finns även politiska motiv som oberoende och ekonomi
Global 45 Station Network Skulle kunna ge banparametrar på decimeternivå och tidsbestämning på någon ns i realtid
GALILEO signaler och service Kodmätning ”Bättre koder” ger bättre noggrannhet • Fri service på 2 frekvenser ger bättre noggrannhet än GPS • Integritet (information om system) finns tillgänglig via signal från satelliterna • Möjlighet till differentiella korrektioner via satelliterna Bärvågsmätning i realtid ”Bättre koder” och signaler ger bättre noggrannhet • Tre olika bärvågssignaler sänds ut • Högre noggrannhet på ban- och klockparametrar
RTK-stöd från andra observationer Jonosfärsobservationer och prediktioner: Observationer av solaktivitet och rymdväder kan möjligen användas för prognoser eller varningar. Observationer från satellit och markstationer görs idag inte tillräckligt tätt i tid och rum Observationer och prognoser: från t ex SMHI om väder dvs troposfären. Samarbete finns redan och försök med så kallade Numerical Weather Prediction (NWP) görs. Prognoser görs för var 10-20 km med uppdatering varje timma. Andra positionssensorer: t ex mobiltelefoni och Loran-C kan ge stöttning?
Tidplan för GALILEO? Innehåll ”Development and in-orbit validation” 2001-2005 • 2-4 satelliter i bana plus • En del markstationer • Just nu pågår ”Galileo system test bed” (GSTB-V1) baserat på GPS ”Deployment” 2006-2007 • Tillverkning och uppskjutning av 26-28 satelliter • Komplett markstationssegment ”Commercial operation” 2008
Bärvågsmätning: Framtid Snabbare inlåsning på signalen vid start och efter avbrott 100+ km 2 cm noggrannhet Färre basstationer • L1, L2 och L5kod och bärvåg • Datakanal
Precise Point Positioning (PPP) SWEPOS och internationella nätverk användsför att beräkna satelliternas positions- och tidsparametrar Samma nätverk används för att beräkna atmosfärseffekter ”Periodobekanta” kan lösas utan speciella referensstationer Koordsystem SWEREF eller ITRF Rover består av GNSS-mottagare + PC. Framtid med GNSS/PC integrerade!! “Rover” Bankorrektioner Klockkorrektioner Jonosfär Troposfär Data format: RTCM+bandata???
”Funderingar” • GNSS håller forskare sysselsatta ett bra tag till !!! • Användning av precisionsmätning (positioner och navigation på cm-nivå) kommer att öka • Precisionsmätning blir en del av den officiella delen av infrastrukturen för GPS och Galileo? • Nya tillämpningar efter hand som systemet blir med robust, fysiskt mindre samt billigare • Atmosfärsövervakning (”rymdväder”, ”markväder” och klimatforskning) med GNSS slår igenom
Sammanfattning • Galileo är ett mer tillgängligt system och har servicegarantier • Galileo kommer att ha en högre potential än GPS har idag • Galileo kommer att sända på tre frekvenser • För en ”bärvågsmätare” i Sverige är kombinerad användning det enda alternativet i vissa miljöer • Fortsatt behov av permanent referensstationer … Motorolas nya kod-mottagare med 12 kanaler och kostnad < 10 USD
SWEPOS National network of 21+ 20 ??? permanent reference stations: • At least 2 receivers per station (21 stations) • Identical antennas and configuration • Real time connections to all stations • Reference system (SWEREF) • GLONASS-receiver at 5 stations • RTK and DGPSdata in RTCM-format • L1/L2-data in RINEX-format for post processing
Resultat GPS Område Götaland Spårriktning nord-syd Hinder öster om spåret Alla elevationsgränser (13-58 grader) Här presenterade i % av tid som noggrannhetsgränserna 15 mm och 25 mm uppfylls Innehåller alla epoker även de med färre än 5 satelliter
Resultat GPS & Galileo Område Götaland Spårriktning nord-syd Hinder öster om spåret. Alla elevationsgränser (13-58 grader) Här presenterade i % av tid som noggrannhetsgränserna 15 mm och 25 mm uppfylls