Kursus i Landmåling, Cad og GIS (LCG) Vej og Trafik, 5. semester og Byggeri og Anlæg, 1. semester

Kursus i Landmåling, Cad og GIS (LCG) Vej og Trafik, 5. semester og Byggeri og Anlæg, 1. semester LCG-2 Introduktion til GPS 1. Observationsteknikker og GPS-koncepter 2. Absolut positionering baseret på kodeobservationer 3. Relativ positionering baseret på kodeobservationer 4. Relativ positionering baseret på faseobservationer 5. GNNS [GPS, GLONAS, GALLILEO, COMPASS ] 6. Koordinatomregning 7. Øvelse i Real Time Kinematisk måling (LCG-4 og LCG-2) Karsten Jensen Laboratoriet for Geoinformatik Institut for Samfundsudvikling og Planlægning Aalborg Universitet, Setember 2010 1

1. Observationteknikker og GPS-koncepter Matematisk model for rumlig positionering baseret på afstandsmåling GPS-signaler Kodeobservation Faseobservation GPS-koncepter 2

Matematisk model for rumlig positionering baseret på afstandsmåling NB: Speciel notation: indeks for kendt punkt 3

GPS-signaler Signal Frekvens MHz Bølgelængde m L1-bærebølge C/A-kode P-kode Navigationsmeddelelse L2-bærebølge P-kode Navigationsmeddelelse 1575.42 1.023 10.23 50 10 6 1227.60 10.23 50 10 6 0.1905 293 29.3 0.2445 29.3 4

Kodeobservation 5

Faseobservation 6

Basale krav ved 3D-positionering 3D positionering baseret på kodeobservationer Metoden kræver kun en modtager For at bestemme modtagerurets stand samt X, Y og Z til k observeres mindst 4 satellitter simultant. 3D positionering baseret på faseobservationer Metoden kræver to modtagere. Den ene modtager m anbringes i et kendt punkt. Den anden modtager k anbringes i et ukendt punkt. For at bestemme periodekonstanterne (1 pr. observeret satellit pr. bærebølge pr. modtager) samt X, Y og Z til k observeres de samme mindst 4 satellitter simultant. Observationerne indsamles kontinuerligt i få minutter eller flere timer med et konstant interval typisk: ½, 1, 5, 10 eller 20 sekunder 7

GPS-koncepter Absolut positionering baseret på kodeobservationer SPS, Standard Positioning Service PPS, Precise Positioning Service Relativ positionering baseret på kodeobservationer LA-DGPS, Local Area Differential GPS WA-DGPS, Wide Area Differential GPS --------------------------------------------------------------------------------- Relativ positionering baseret på bærebølge-faseobservationer C-DGPS, Carrier Phase Differential GPS (RTK, Real Time Kinematic) Static Survey Koncepter som omtales i det følgende 8

2. Absolut positionering baseret på kodeobservationer SPS, Standard Positioning Service Simpel matematisk model for SPS-konceptet PPS, Precise Positioning Service 9

SPS-konceptet Forudsætninger: C/A-kode på L1 mindst 4 satellitter 15 grader over horisonten PDOP < 5 10

DOP (Dilution Of Precission) GDOP = q + q + q + q PDOP = q + q + q TDOP = q XX YY ZZ TT XX YY ZZ TT hvor GDOP: Geometric dilution of precission PDOP: Position dilution of precission TDOP: Time dilution of precission q XX, q YY, q ZZ og q TT : Variansen i henholdsvis X, Y, Z (WGS84) og Tid HDOP = q + q VDOP = q EE UU hvor NN HDOP: Horisontal dilution of precission VDOP: Vertical dilution of precission q EE, q NN og q UU : Variansen i henholdsvis N, E og U i et topocentrisk koordinatsystem Positionens forventede nøjagtighed beregnes som: σ σ horisontal vertikal = HDOPσ = VDOPσ 0 hvor 0 σ 0 er observationernes nøjagtighed (spredningen på en målt afstand) 11

12

13

Simpel matematisk model for SPS NB: Speciel notation: indeks for kendt punkt 14

SPS 15

Fejlbudget ved SPS Fejlkilde Baneparametre Satelittens ur Ionosfæren Troposfæren Reflekterede signaler Støj i modtageren Indflydelse ved SPS med SA m 2.1 20.0 4.0 0.7 1.4 0.5 Indflydelse ved SPS uden SA m 2.1 2.1 4.0 0.7 1.4 0.5 Observationsnøjagtighed 20.6 5.3 16

SA ophørte 2. Maj 2000 Efter 24 timers observation i et kendt punkt er 95 % af positionerne inden for en afstand af 1. Maj: 45.0 m 3. Maj: 6.3 m Kilde National Geodetic Survey, USA, http: //www.ngs.noaa.gov/fgcs/info/sans_sa/compare/erla.htm 17

SPS nøjagtighed og anvendelse Positioners horisontale nøjagtighed (1 sigma): uden SA og HDOP: 2-5: 10-25 m Anvendelse: Navigation Flådemanagement GIS : Pris: 1 stk. C/A kode-modtager: fra ca 1000 kr 18

Eksempler Kodemodtagere Garmin 19

DGPS 3. Relativ positionering baseret på kodeobservationer LA-DGPS, Local Area Differential GPS WA-DGPS, Wide Area Differential GPS 20

DGPS 21

LA-DGPS Forudsætninger: a) C/A-kode på L1 eller b) C/A-kode og bærebølge på L1 1 stationær GPS-modtager placeret i et kendt punkt 1 mobil GPS-modtager mindst 4 satellitter 15 grader over horisonten observeres simultant PDOP < 5 korrektionsdata i RTCM-format overføres løbende via et pålideligt datalink 22

Fejlbudget ved SPS og LA-DGPS Fejlkilde Baneparametre Satelittens ur Ionosfæren Troposfæren Reflekterede signaler Støj i modtageren Referencemodtager Indflydelse ved SPS uden SA m 2.1 2.1 4.0 0.7 1.4 0.5 Indflydelse ved LA-DGPS m 0.0 0.7 0.5 0.7 1.4 0.5 0.4 Observationsnøjagtighed 5.3 1.8 23

LA-DGPS nøjagtighed og anvendelse Positioners horisontale nøjagtighed (1 sigma): Forudsat at afstand til referencestationen er mindre en 200 km og korrektionsdata s alder er mindre end 10 sekunder: a) 1-6 m (CA-kode på L1) b) < 1 m (C/A-kode og bærebølge på L1) Anvendelse Navigation Flådemanagement Ajourføring af topografiske kort GIS 24

LA-DGPS-servicesystemet: DGNSS (IALA) Permanente referencestationer: - Blåvandshuk - Skagen - Kullen - Hammer Odde - 25

4. Relativ positionering baseret på faseobservationer RTK (Real Time Kinematic) også betegnet C-DGPS, Carrier Phase Differential GPS Static Survey (Statisk GPS-måling) 26

RTK-måling Forudsætninger C/A-, P-kode og bærebølge på L1 P-kode og bærebølge på L2 1 stationær GPS-modtager placeret i et kendt punkt 1 mobil GPS-modtager max. 50 km mellem de to modtagere mindst 5 satellitter 15 grader over horisonten observeres kontinuerligt og simultant PDOP < 5 Rå kode- og faseobservationer overføres løbende i RTCM-format via et pålideligt datalink 27

RTK-måling Nøjagtighed Kilde: KMS test 2001 Enkeltstations RTK Positioners horisontale nøjagtighed (1 sigma): 3.5 mm + S*0.5 mm/km Positioners vertikale nøjagtighed (1 sigma): 5 mm + S*2 mm/km S er afstanden fra mobil enhed til referencestation i kilometer Netværks RTK Positioners horisontale nøjagtighed (1 sigma): 5 mm + S*0,15 mm/km Positioners vertikale nøjagtighed (1 sigma): 11 mm + S*0.7 mm/km S er afstanden fra mobil enhed til nærmeste referencestation i kilometer 28

RTK-måling Anvendelse: Præcis-navigation Ajourføring af tekniske kort, ajourføring af matrikelkort Afsætning af veje, skel mm. Ledningsregistrering GIS Pris: 1 stk dobbeltfrekvent GPS-modtagere: fra ca. 100.000 kr (incl. datalink, registreringsenhed og software) Abonnement vedrørende korrektionsdata 29

RTK-servicesystemer tilgængelige i Danmark Leica SmartNet Danmark (Tidligere: GPS-referencen) GPSnet.dk http://smartnet.leica-geosystems.dk http://www.gpsnet.dk 30

Eksempler på RTK-udstyr, Trimble 31

Eksempler på RTK-udstyr, Leica 32

5. GNNS [GPS, GLONASS, GALLILEO, COMPASS ] 33

6. Koordinatomregning 34

Moderne landmåling, det typiske dataflow 35

Datum ED50 ETRS89(WGS84) Hayford ellipsoiden GRS80 ellipsoiden 36

Transversal afbildning, eksempel UTM (ETRS89) zone 32 37

Koordinatomregning ETRS89(WGS84) < > Gamle afbildninger 38

Koordinatomregning ETRS89(WGS84) < > Nye transversale afbildninger 39

Koordinatomregning ETRS89(WGS84) < > Nye transversale afbildninger 40

Koordinatomregning ETRS89(WGS84) < > Nye transversale afbildninger 41

Koordinatomregning ETRS89 (WGS84) < > DVR90 42

7. Øvelse i Real Time Kinematisk måling LCG 4 Vi mødes Fibigerstræde 11, rum 1 Hold1: B209, B210, B211, B212, B213 og VT 5. semester Onsdag den 13. oktober 8.15 Hold2: B214, B215, B216, B217, B218, B219 Torsdag den 14. oktober 12.30 43

44

45

46

Øvelse i planlægning af RTK-måling LCG-2 1) Trimble, Planning Software og seneste almanakfil hentes på: http://www.trimble.com/planningsoftware_ts.asp?nav=collection-8425 2) Start programmet Vælg File, Station Editor Opret en station med navnet: Aalborg SE Latitude (Længde): N 57 Longitude (Bredde): E 10 Height (Højde): 10 m Indstil tidspunkt for måling (LCG-4) Hold1: B209, B210, B211, B212, B213 og VT 5. semester Onsdag den 13. oktober, 9-12 Hold2: B214, B215, B216, B217, B218, B219 Torsdag den 14. oktober 13-16.30 47

48

3) Check GPS Check GLONASS 4 Vælg Graphs, Number of Satelites 5) Vælg Graphs, Sky Plot 6) Vælg Graphs, DOP, DOP position 49

50

51

52