Introduktion til GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) er samlebetegnelsen

for satellitbaserede navigationssystemer. For øjeblikket er det

amerikanske GPS det mest brugte system, hvorfor det ofte er

GPS man forbinder med satellitbaserede navigationssystemer.

Men det russiske GLONASS benyttes også. Og endelig forventes

det europæiske Galileo system at blive operationelt indenfor

en overskuelig periode.

I det følgende vil jeg tage udgangspunkt i det amerikanske GPS.

GPS består af 24 satellitter i 6 forskellige baner. Der er 4

satellitter i hver bane og de er i kredsløb 20200 km over

jorden. Omløbshastigheden er 11 timer. Som regl er der også

enkelte reservesatellitter i kredsløb.

I hver satellit findes 4 atomure som udgør grundlaget for

positionsbestemmelsen.

Satellitterne udsender UHF signaler som opfanges af GPS

modtageren. Ved at måle den tid, UHF signalerne er

undervejs, kan afstanden mellem satellit og modtager

beregnes. Da UHF signalerne, ligesom alle andre radiobølger,

udbredes med lysets hastighed (300.000 km/s) beregnes

afstanden ved at gange lysets hastighed med tiden

signalet er undervejs.

I teorien kunne man derfor nøjes med 3 satellitter til at

bestemme GPS modtagerens position. Man behøver dog

en 4. satellit til at synkronisere modtagerens ur med urene

i satellitterne.

Satelitternes baner er netop bestemt ud fra, at det fra et

hvilket som helst sted på jorden, skal være muligt at

modtage radiobølger fra mindst 4 satellitter.

Kontrolstationer

For at vedligeholde nøjagtigheden af GPS er der oprettet 5 kontrolstationer, hvorfra satellitterne løbende observeres. Hovedkontrolstationen ligger i Colorado Springs, og de 4 stationer er placeret nær ækvator.

Kontrolstationerne modtager løbende signaler fra de satellitter, som er i syne, og beregner udfra disse afstandene til satellitterne. De beregnede afstande sendes til hovedkontrolstationen, hvor satelliturenes fejl udregnes sammen med satellitternes efemerider (banepositioner). Disse informationer sendes videre til de enkelte satellitter. Informationen fra jordstationerne indsættes herefter i satellitternes navigationssignal, der kan opfanges af alle GPS modtagere.

Kontrolstationerne er placeret således, at der er kontakt til hver enkelt satellit mindst 3 gange dagligt.

Signalstruktur fra GPS satellitterne

Satellitterne udsender 2 bærebølger:

L1 på 1575,42 MHz (19 cm båndet):

Moduleres med C/A-kode og P-kode.

L2 på 1227,60 MHz (24 cm båndet):

Moduleres med P-kode.

Koderne bæres altså af 2 UHF bølger. Man har valgt UHF fordi disse ikke reflekteres af ionosfæren. Desuden er disse højfrekvente bølger ikke så tilbøjelige til at blive påvirket af atmosfæriske forhold.

Signalforringelse

Anvendelsen af GPS er opdelt i 2 autorisationsgrupper:

1. SPS (Standard Positioning Service), dvs. civil anvendelse.

2. PPS (Precise Positioning Service), dvs. militær anvendelse.

Civil benyttelse bygger alene på måling af C/A-koden. Denne kode har ikke så høj opløsning som P-koden.

1. Urfejl i satellitterne

Der er placeret 4 Cæsium og Rubidium ure i hver satellit. De 2 er i brug, 2 i reserve. Urfejl korrigeres mindst 3 gange dagligt. Korrektionerne sendes, som tidligere nævnt, op til satellitterne som lader korrektionerne indgå i navigationsbeskeden.

2. Urfejl i modtageren

I modtageren benyttes et almindeligt Quartz ur. Dette er ikke særlig præcist, hvorfor man estimerer modtagerens urfejl ved at måle til en 4. satellit.

3. Efemeride fejl

Efemeriderne betyder satellitternes baner. Efemeriderne kan forudsiges inden for ca. 3 meter. Man kan dog vente med at lave beregningerne indtil de præcise efemerider er tilgængelige på Internettet.

4. Atmosfæriske forstyrrelser

Ionosfæren

Ionosfæren findes i 80-400 km højde og påvirker radiobølgernes udbredelse. Forstyrrelserne er bl.a. afhængige tidspunkt på dagen, solpletaktiviteten og årstiden. Se ydeligere forklaring under fanen "Radiokommunikation". Ionosfæren sænker radiobølgernes hastighed. Desuden medfører høj solpletaktivitet større fejlbidrag til GPS målingerne.

Troposfæren

Troposfæren findes i 0-10 km højde. Her udsættes signalet for refraktion som er en funktion af temperatur, lufttryk og relativ luftfugtighed. Denne fejl korrigeres vha. forskellige matematiske modeller som er indbygget i GPS-modtageren.

Beregningerne foretages ud fra oplysninger om breddegrad (klimabælte), kote (lufttryk) og oplysninger om satellitternes højde over horisonten (elevationsvinkel). Hvor gode disse modeller er afgøres i høj grad af prisen for GPS-modtageren.

Man kan ikke som ved en totalstation korrigere for refraktionen ved at indtaste temperatur, lufttryk og relativ luftfugtighed. Dette skyldes at f.eks. temperaturen ikke er den samme ved jordoverfladen som i 10 km højde.

Under fanen "Totalstation" er det beskrevet hvordan man her skal korrigere for refraktion under PPM-menupunktet.

Signaler, der kommer fra satellitter, som står lavt over horisonten, tilbringer mere tid i de lave atmosfæriske lag (troposfæren). Derfor er troposfærefejlen større ved lave elevationsvinkler.

Det anbefales derfor at man kun måler til satellitter der ligger mere end 10-15 grader over horisonten.

I de fleste modtagere kan man afskære alle satellitter under en bestemt elevationsmaske.

5. Multipath

En af de væsentligste fejlkilder. Multipath beskriver den reflektion der sker af radiobølgerne mod bygninger og terrængenstande. Denne reflektion gør at radiobølgerne er længere tid om at nå frem til modtageren. Derved opstår der fejl i beregningerne. Multipath kan mindskes ved at sætte en høj elevationsmaske.

6. PDOP-værdi over 5

DOP står for Diluation of Precision. Værdien siger noget om satellitkonstallationen.

Hvis satellitterne er meget spredte på himlen er DOP-værdien lav.

Hvis satellitterne er meget samlet på himlen er DOP-værdien høj.

DOP-værdierne kan forudsiges og benyttes til at planlægge måleforløbet.

I det følgende præsenteres forskellige former for måletyper inden for GPS. De forskellige måletyper kræver forskelligt udstyr og har forskellige grader af præcision.

Denne metode benyttes af de billige håndholdte GPS modtagere.

GPS modtageren låser sig fast på C/A-koden. Beregningerne tager længere tid hvis der er stor atmosfære aktivitet eller meget multipath (signalreflektion).

Ud fra tiden og efemeriderne, der modtages i navigationssignalet kan modtagerens position beregnes.

Nøjagtighed plus minus 20 meter i planen (horisontalt) og plus minus 30 meter i højden (vertikalt).

DGPS udføres ved samtidig måling med minimum 2 modtagere. Masteren placeres i et kendt punkt og roveren måler relativt i forhold til masteren.

DGPS anvendes til at reducere atmosfærens indvirkning på målingerne.

Hvis 2 stationer ikke ligger langt fra hinanden, kan man antage at de atmosfæriske forhold er nogenlunde ens for de to målinger.

Forudsætninger for DGPS

1. Man regner med samme indflydelse fra atmosfæren

    på de to målinger.

2. Der skal måles til de samme satellitter.

3. Der skal måles samtidigt da satellitterne flytter sig.

Fejlkilder ved DGPS

1. Unøjagtighed ved beregning på C/A-koden.

2. Multipath.

3. Restfejl på atmosfære forsinkelsen, hvis afstanden

    mellem master og rover er stor.

    Afstanden må maksimalt være 100 km.

I stedet for egen master kan man via en mobiltelefon koble op på et nationalt net med centrale mastere. F.eks. www.gpsnet.dk

Ved hjælp af DGPS ved kodemåling bringes nøjagtigheden ned på 20-50 cm.

DGPS korrektioner kan også modtages via kommunikationssatellitter. Her taler man om et Wide Area DGPS (WADGPS) imodsætning til de jordbaserede systemer som kaldes Local Area DGPS (LADGPS).

Her findes private systemer som OmniStar og LandStar.

Desuden findes der 2 offentlige systemer:

EGNOS som er etableret af EU og ESA. Dækker Europa.

WAAS som er etableret af de amerikanske luftfartsmyndigheder. Dækker Nordamerika.

Hvis man anvender korrektioner fra satellitterne er nøjagtigheden dog kun ca. 3-5 m.

EGNOS står for European Geostationary Navigation Overlay Service. Der er tale om et selvstændigt system, men EGNOS kommer i fremtiden til at indgå som en integreret del i Galileo. På samme måde som i GPS-systemet, består EGNOS ud over satellitter, også af en række jordbaserede referencestationer (Ground Segment). Disse referencestationer benævnes RIMS-stationer (Ranging and Monitoring Stations). For øjeblikket findes der 34 RIMS-stationer, heraf 1 i Aalborg. Udviklingen af EGNOS startede i 1994, og målet er at kunne opnå nøjagtigheder på 1-2 m i planen og 2-4 m i højden. Den første EGNOS satellit Artemis blev opsendt i 2001 og begyndte at udsende korrektioner i 2003.

DGPS satellitterne er geostationære, dvs. de kredser 35.786 km over jorden. I den højde tager et omløb nemlig lige så lang tid som Jorden er om at dreje én gang om sig selv.

Hvis man benytter WADGPS skal man være opmærksom på at der kan være perioder hvor der ikke udsendes alle korrektioner. Desuden kan der være perioder hvor der slet ikke udsendes korrektioner. Dette kan man ikke umiddelbart aflæse på GPS-modtageren.

Der findes 2 typer fasemålere

1. En-frekvente modtagere der måler på L1-bærebølgen.

2. To-frekvente modtagere der måler på såvel

    L1- som L2-bærebølgen.

Ved fasemåling måler man ikke på koden, men antal bølger på bærebølgen, dvs. på fasen.

Ved fasemåling kan der anvendes forskellige målemetoder:

1. Statisk måling

Dette er den mest nøjagtige metode. Man indsamler data i de 2 modtagere i 20-60 minutter eller længere afhængig af bl.a. PDOP og afstanden mellem modtagerne. Kræver egen master og rover.

Denne metode anvendes ved måling af lange vektorer og ved fortætning af eksisterende hovedpunktsnet.

I metoden inddrager man desuden 2-3 punkter med kendte koordinater (kontrolpunkter). Afstand mellem master og rover må maksimalt være 10-15 km.

Nøjagtighed: 2-3 mm.

2. Hurtig statisk måling

Her måler man blot 10 min. Kræver egen master og rover. Ikke helt så nøjagtig som statisk måling.

3. Kinematisk måling

Kan gennemføres når master og rover konstant har kontakt til hinanden og mindst 4 fælles satellitter.

Dette kræver derfor nøje planlægning. Man kan f.eks. ikke køre under en bro. Ligeledes kan der opstå problemer under træer.

Kræver egen master og rover. Denne metode er 5-10 gange mere upræcis end de statiske målinger. Nøjagtigheden er i praksis bedre end 2 cm. Målingerne beregnes først hjemme.

4. Real Time Kinematisk måling

Som kinematisk måling blot med løbende beregninger i marken. Ved RTK kan der benyttes en fast basestation (master) i et netværk. Nøjagtigheden er i praksis bedre end 2 cm.