GIS_ GPS och handdatorer by pptfiles

VIEWS: 0 PAGES: 62

									GIS, GPS och
 handdatorer

 Simon Wetterlind
Högskolan i Skövde
GIS, GPS och handdatorer
Huvudpunkter:
• Hur funkar GPS?
• GPS + GIS =
  Handdatorer
• Några möjligheter

•


                           Bild från
Satellitpositionering
• GNSS, Global Navigation Satellit System:

• GPS (USA)
• GLONASS (Ryssland/Sovjet)
• GALILEO (EU, 2008?)
GPS - bakgrund
• Navstar GPS
  – NAVigation System with Timing And Ranging
    Global Positioning System
• Ursprungligen för amerikanskt militärt bruk
  – Påbörjat 1973
  – Officiellt igång 1995
GPS
•   24 (27) satelliter i 6 olika banor
•   20 200 km höjd
•   11h 58 min omloppstid
•   Satellitbanornas                Lat 55   O   N

    inklination 55
                            Ekvatorn


                                                     Lat 55O N

                                       Lat 55O S
                                                         Bildmaterial från
Onödig GPS-fakta
• SA-störningen stängdes av 2 maj 2000
• 4 atomklockor i varje satellit
  – Endast kvartsklockor i mottagarna
• Satellitdata
  – Livstid för en satellit ca 8 år
  – Vikt ca 900 kg
  – Hastighet 4 km/s
  – Spännvidd ca 5m
Varför satellitpositionering?
• Fri sikt mellan mätpunkter är inte
  nödvändigt
• Kan göras när som helst på dygnet
• Ger hög geodetisk noggrannhet
• Kräver lite personal att genomföra
  inmätningar
Positionsbestämning med
GPS                                        (x, y, z)

• Satelliten skickar ut en signal med
  information om
  – Satellitens position (x, y, z)
  – Tidpunkten när signalen skickas (T1)
• GPS-mottagaren har en egen klocka
  – Vet när signalen kom fram (T2)
  – Vilket gör det möjligt att beräkna
                                                 (x, y, z)
    avståndet!
Avståndsberäkningen
• Den totala tiden (t) det tog för signalen att
  nå fram till mottagaren är T2-T1
• Signalens hastighet (v) är känd
• Sträckan (s) är hastigheten gånger tiden:
  s = vt




                                   xi  x2   yi  y2  zi  z 2  v2 ti  d 2
Position i 2 dimensioner med
två satelliter


                                  Uppmätt avstånd



        Två möjliga positioner!
  Position i 2 dimensioner med
  tre satelliter


                            Uppmätt avstånd


En möjlig position!
Position i 3 dimensioner
• Sfärer istället för cirklar
• Kräver (minst) 4 satelliter för att beräkna
  positionen!




           Med 3 satelliter blir det 2 möjliga punkter


                                                            Bildmaterial
                                                  Lantmännen PrecisionsSupport
Med för få satelliter
• Med 3 satelliter kan vissa GPS:er gissa!
• ”Alternativpunkten” är oftast långt ute i
  rymden (alltså orimlig)
• GPS:en kan utnyttja föregående kända
  punkter
Satellitgeometri




 Bra satellitgeometri! (låg DOP)   Dålig satellitgeometri (hög DOP)
Satellitkonfiguration
• DOP är ett mått på satellitkonfigurationens
  kvalitet
• Dilution Of Precision (DOPs)
  – GDOP - Geometrisk DOP (lat, long, höjd och
    tidsfel)
  – PDOP - Positionell DOP (lat, long, höjd)
  – HDOP - Horisontell DOP (lat, long)
  – VDOP - Vertikal DOP (höjd)
Absolut mätning
• Kräver (minst) 4
  satelliter
• Utrustning
  – en GPS-mottagare
• Noggrannhet
  ca 20 m
Användningsområden
•   Fritidsbåtar
•   Enklare navigering på land
•   Fordonslokalisering vid godstransport
•   Etc
Störningar av GPS-signalen

               SA
                                             Solaktivitet



                                      Atmosfärsstörningar



                    Elektriska fält            Radio-
                                               sändare

 Flervägsfel


                                                   Bildmaterial
                                         Lantmännen PrecisionsSupport
Felkällor – GPS
Felkälla                  GPS
Satellit klocka           1,5
Banfel                    2,5
Jonosfär och troposfär    5,5
Störningar i mottagaren   0,3
Reflektion                0,6
SA                        (30)*
Noggrannhet Horisontell   20 (100)*
Noggrannhet Vertikal      30 (150)*
                                      * Före 2000-05-02
Med eller utan SA
   Horisontell avvikelse med   Horisontell avvikelse utan
   SA den 1 maj 2000           SA den 3 maj 2000




                                    All data kommer från SWEPOS
                                    stationer Onsala
Vad betyder ett tidsfel?
• Om mottagarens klocka går före 1 ms
  verkar GPS-signalen färdats 1 ms längre
  – Satelliten verkar ligga längre bort!
  – Alla avstånd blir för stora
• Tidsfel skapar feltrianglar
  – Används för att korrigera klockan
Effekten av ett tidsfel
                          Beräknat
                          avstånd


                          Verkligt avstånd




     Feltriangel
Relativ mätning
• Mottagarens position bestäms relativt en
  känd punkt
• DGPS, noggrannhet 0,5-2 m
• RTK och nätverks-RTK, 1-3 cm
• Statisk mätning (bärvågsmätning +
  efterberäkning), 0,5-2 cm
Användningsområden
•   Båtnavigering nära land, i hamnar, etc
•   Insamling av GIS-data
•   Mätning av terrängmodeller
•   Stommätning
•   Etc
DGPS
                    1. GPS-
           1
                      satellit
                    2. Mark-
                      station
                    3. Kaknäs-
 2
                      tornet
       3
               4
                    3 P3/P4-
                      sändare

                             Bildmaterial
                   Lantmännen PrecisionsSupport
DGPS-tekniken
• Differentiell GPS
• Minst två mottagare
  – Egen mottagare
  – Mottagare med känd position eller referensstation
• Referensstationen skickar information om felet
  till den egna mottagaren
  – Efterkorrigering i mottagaren (efter 3-5 s)
• Kodmätning
DGPS
• Fördelar med DGPS
  + Enkel att använda
  + Relativt billigt
  + Stort täckningsområde
  + Okänslig för signalstörning
• Problem
  – DGPS-täckningen
  – Ev. abonnemangskostnad
Korrektionssignal via FM-
sändare
                            1. GPS-
                   1
                              satellit
                            2. Referens-
                              station
                            3. Kaknäs-
 2
                              tornet
        3
                       4
                            4. P3/P4-
                              sändare

                                   Bildmaterial
                               PrecisionsSupport
Korrektionssignal via satellit
       3
                    1
                           1. GPS-satellit
                           2. Referens-
                             station
                           3. ESA/EGNOS-
                             satellit

   2




                                     Bildmaterial
                                 PrecisionsSupport
EGNOS
• Korrigeringssignal för DGPS via satellit
• 3 geostationära satelliter över ekvatorn
• Nätverk av markbundna referensstationer
• Fungerar i Europa, över Atlanten och stora
  delar av Afrika
• Noggrannhet 1-2 m (5 m)
• Gratis!
EGNOS täckningsområde
Fel med DGPS
Felkälla                  DGPS   GPS
Satellit klocka           0      1,5
Banfel                    0      2,5
Jonosfär och troposfär    0,6    5,5
Störningar i mottagaren   0,3    0,3
Reflektion                0,6    0,6
SA                        0      0
Noggrannhet Horisontell   1-2    20
Noggrannhet Vertikal      2-3    30
RTK – Real Time Kinematics
•   Bärvågsmätning (i realtid)
•   RTK med tillfällig referens
•   RTK med fast referens
•   Nätverks-RTK
RTK med tillfällig referens-
station
                     1




   2
                     3
RTK med tillfällig referens-
station
• Fördelar
  + Effektiv och snabb teknik
  + Hög precision
• Nackdelar
  – Etablera referensstationen kan vara
    tidsödande
  – Begränsad räckvidd (ca 10 km)
  – Stöldrisk
RTK med fast referens-
station
                   1




   2                   3
RTK med fast referens-
station
• Fördelar
  + Behöver ej etablera referensstation
  + Hög driftsäkerhet
  + Ingen stöldrisk
• Nackdelar
  – Begränsad räckvidd (ca 10 km)
  – Kräver underhåll
Nätverks-RTK, steg 1
                 GPS-satelliter




 Referens-
 station


                      Rover




Central server
Nätverks-RTK, steg 2
                       Servern tar emot
                       positionsdata från
                       referens-
                       stationerna och
                       från rovern.
Nätverks-RTK, steg 3
                       Servern räknar
                       fram en virtuell
                       referensstation
                       (VRS) och sänder
                       korrigerings-
                       information som
            VRS        om den hade
                       kommit från den
                       virtuella stationen
Nätverks-RTK i VG
Nätverks-RTK
• SWEPOS
• Totalt >50 referensstationer
• Kontakten mellan rover och den centrala
  servern sker via GSM-nätet
• Noggrannhet 1-3 cm
• Kvalitetskontrollerad data skickas från
  servern
• Ca 5-30 s för att mäta in en position
Att använda nätverks-RTK
• Fördelar med nätverks-RTK
  + Långt avstånd mellan referensstationer
  + Alltid kvalitetskontrollerad data
  + Användaren behöver bara en GPS-mottagare
  + “Sömlöst” täckningsområde
• Nackdelar
  – Kommunikation mellan rover och server är dyr
  – Dålig GSM-täckning
Täckning med RTK
   RTK med enskilda stationer           Nätverks-RTK




                      + = Referensstation
                        = Täckningsområde
                                                       Bildmaterial från
Satellitsignalen
• L1: 19 cm    C/A-kod P(Y)-kod
• L2: 24 cm            P(Y)-kod

• C/A-koden är den ”valiga” GPS-signalen
• P-koden är krypterad och behöver en
  nyckel (Y) för att kunna användas
  – Ger bättre noggrannhet
    Kodmätning
    Pseudo-slump-kod:

1
                            Signalen från GPS-
                            satelliten
0


1
                            Signalen som
                            genereras av GPS-
0                           mottagare


             Tidsskillnad

                                     Bildmaterial från
Att använda kodmätning
• Fördelar
  + Snabbt
  + Billigt
  + Okänslig för signalstörning
• Nackdelar
  – Oexakt
Bärvågsmätning
• RTK, nätverks-RTK
• Statisk mätning
• Räkna antalet svängningar eller perioder
  mellan satellit och mottagare
  – GPS-mottagaren skapas en signal som har
    samma frekvens som GPS-systemets bärvåg
  – Genom att kombinera och jämföra signalerna
    kan man uppnå en noggrannhet på någon cm
Att använda bärvågsmätning
• Fördelar
  + Exaktare
• Nackdelar
  – Känslig för signalstörningar
  – Dyrare utrustning
  – Tar tid (utom med RTK)
Vilket koordinatsystem?
• WGS84 – Standard för GPS
• RT90
• Lokalt system (för den egna kommunen)

• Konvertering kan vara nödvändig!
        Noggrannhet kostar
    Kostnad


400
kkr
                                   Olika metoder och
                                   förväntad noggrannhet:

                                   Absolut positioning, C/A-code    <10 m
                                   Absolut positioning, P-code      <5m
                                   DGPS through beacon              <2m
                                   DGPS with local reference        < 0.5 m
                                   Relative carrier phase           < 0.02 m
                                   Relative carrier phase with
                                   advanced estimation technique     mm-nivå



                     Noggrannhet
2 kkr


        10           cm   mm
        m
                                                                   Material från
   Välj GPS efter behovet!
Användning                                GPS        DGPS      DGPS          RTK
                                                     EGNOS     Abonnemang1
Mäta in en yta                            *          **        ***           ***
Sprida gödning eller kalk efter styrfil   **         ***       ***           b
Hitta tillbaka till en inmätt punkt       a          *         **            ***
Skördekartering                           *          ***       ***           b
Guidning 2                                a          **        ***           ***
Autopilot 2                               a          *         **            ***
Detaljerad höjdmätning                    a          a         a             ***
Pris på GPS 3 (från)                      >1.000:-   >2000:-   >15.000:-     >80.000:-
a = Mindre lämplig, b = Onödigt avancerad för ändamålet
* = Fungerar för denna användning, men noggrannheten kan variera, ** = Lämplig för denna
    användning, *** = Perfekt anpassad för denna användning
                                                            Källa: Växtpressen, juni 2004
                                                                   Mats Söderström
Vad är det som kostar?
• Klockans noggrannhet
• Antalet satelliter som GPS:en kan ta in
  samtidigt
• Mjukvara i GPS:en (t ex för DOP-
  beräkning, användargränssnitt etc)
• Extra hårdvara (radiomottagare etc)
• Hållbarhet (slitage, vattentålighet etc)
Att tänka på!
•   Fri sikt! (Mycket horisont främst i söder)
•   Minst 4 satelliter
•   Satellitkonfigurationen (DOP-värdena)
•   Risken för flervägsfel/multipathing
•   Vinkeln (vid bärvågsmätning)
•   Tillräcklig logg-tid (vid bärvågsmätning)
GPS + handdator?
• GPS-mottagare saknar (oftast)
  GIS-möjligheter
• Använda handdatorn som
  – GPS-mottagare
  – GIS-hjälpmedel/programvara
  – GSM/radio-länk (t ex via bluetooth)
GPS + handdator + GIS
•   Bakgrundsbild (karta/shapefil, flygfoto etc)
•   Lagra geografiska data
•   Lagra attributdata
•   Visualisera geografiska data
•   Granska data
•   Ändra/editera data
•   Andra (enklare) GIS-operationer
Exempel på
applikationsområden
• Inom jordbruket
    – Precisionsodling
•   Inom turism
•   Inom kulturmiljö
•   Naturvård
•   Parkförvaltning
•   Brandkår/ambulans
•   Etc
Jordbruket
• Markkartering - koordinatsätta
  provtagningspunkter
  – För att kunna skapa interpolerade kartor
  – För att kunna återupprepa provtagningen på
    samma plats
• Skördekartering
  – Skördetröska med GPS och dator
• Markkonduktivitet (lerhalt) med EM-38
EM38 med DGPS




                          Bildmaterial
                Lantmännen PrecisionsSupport
Turism
• Koordinatsätta turistattraktioner
• Mäta in vandringsleder
• Hyra ut handdator + GPS med digital
  turistkarta
Tack till
• Mats Söderström
• Lantmännen PrecisionsSupport
•
Dags att prova på!

								
To top