1 / 40

Funderingar och visioner kring nätverks-RTK

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.

braith
Download Presentation

Funderingar och visioner kring nätverks-RTK

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Funderingar och visioner kring nätverks-RTK Jan JohanssonSP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut

  2. Jonosfär Troposfär Satellitens positions- och tidsfel Geometri Antenner och hårdvara Satellitbaserad navigation Signalen • Satelliter • Markstationer • Användare 3 Segment i GNSS

  3. 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)

  4. Hur fungerar GPS? X1, Y1, Z1, T1 t1 c(t1-T1) = R1

  5. 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)!

  6. Med 4 satelliter fungerar det Mottagaren erhåller: Latitud, Longitud, Höjd, och Tid

  7. 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)

  8. Bra “geometri”! Rutan visar inom vilket område en mottagare kan befinna sig ~5 meter

  9. Klart sämre “geometri”! Större ”ruta” än förra bilden ”Dilution Of Precision” - DOP ~5 meter

  10. 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

  11. 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?

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. RTK-mätning 10 km 2 cm noggrannhet • L1 och L2 kod och bärvåg • Datakanal GPS/RTK teknik användes vid byggandet av Öresundsbron

  20. ”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

  21. Fasta referensstationer ger information om atmosfären Tid & position Jonosfär Troposfär

  22. 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

  23. Jonosfären vid lat 60° long 15°

  24. 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

  25. Geometri och blockering av signaler 1 För få signaler för att kunna mäta

  26. Geometri och blockering av signaler 2 Fler satelliter > 5 tillgängliga Noggrannhet dock fortfarande begränsad pga dåliga geometri

  27. GNSS data används för att ge information om felkällor Position & Tid Jonosfär Troposfär

  28. 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

  29. 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

  30. Global 45 Station Network Skulle kunna ge banparametrar på decimeternivå och tidsbestämning på någon ns i realtid

  31. 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

  32. 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?

  33. 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

  34. 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

  35. 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???

  36. ”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

  37. 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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

More Related