Pl:Dokładność danych GPS Podstawy
| Rejestrowanie śladów GPS | Przetwarzanie | Edytowanie | Załadowanie | Dokładność | Opinie o urządzenia GPS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pozycja | Dane | niezbędne |
|---|---|---|
| Dwuwymiarowa | LAT, LON | 3 satelity |
| Trójwymiarowa | LAT, LON, ALT | 4 satelity |
W używanym obecnie systemie z każdego miejsca na powierzchni ziemi widoczne są zazwyczaj 4 do 12 satelitów równocześnie. Używając pomiarów wszystkich dostępnych satelitów przy użyciu Least-Squares-iteracji lub za pomocą filtru Kalmana obliczane są dokładna pozycja oraz czas.
Geometria
Zasadnicze znaczenie dla możliwej dokładności jest geometria wzajemnego położenia satelitów w momencie dokonywania pomiaru. Jest to czynnik na który nie można wpłynąć, chyba że poprzez dokonywanie pomiarów o różnych porach. Idealną sytuacją jest, gdy mamy do czynienia z konstelacją czterech, dobrze widocznych satelitów, znajdujących się w czterech różnych kierunkach świata i oddalonych od siebie, jednakże minimum 10° nad horyzontem. Kąty linii łączących punkt którego położenie chcemy zmierzyć a pozycjami satelitów musi być możliwie duży. Jeśli kąty są zbyt małe, precyzyjne ustalenie położenia nie jest możliwe. Idealnie jest, jeśli piramida z mierzonym punktem jako wierzchołkiem ma jak największą objętość.
Jeśli ważny dla geometrii układu satelita jest obarczony błędem z powodu zacienienia, tłumienia, załamania, odbicia lub celowego zakłócenia, to dokładność obliczenia położenia cierpi na tym bardziej, niż jeśli dotyczy to raczej ubocznego z punktu widzenia obliczeń satelity.
Zacienienie
Zacienienie oznacza, że nie ma kontaktu "wzrokowego" z satelitą. Szczególnie częste jest to w przypadku pomiarów w dość wąskich ulicach w mieście, w górskich dolinach, na zboczach gór, "z tyłu" za domem. Oraz oczywiście w aucie pod dachem samochodu lub też za metalizowaną przednią szybą. Zacienienie powstaje także wtedy, gdy pochylamy się nad kierownicą roweru na której umocowany jest odbiornik GPS. Zacienia także nasze własne ciało jeśli odbiornik niesiemy w ręce bezpośrednio przy ciele. Gęsty lub pokryty śniegiem las również może prowadzić do całkowitego zacienienia. Rysunek pokazuje obrazowo błąd powstający na skutek zacienienia/tłumienia w lesie.
Im wyżej umieszczona jest antena, tym lepszy jest odbiór. Dobre pozycje anteny to np. naramienniki, klapa zamykająca u góry plecak lub daszek czapki bejsbolówki, kijek do nart lub nordic walking wystający prostopadle z plecaka bądź w aucie antena dachowa lub na przedniej szybie (mocowanie na magnes).
Refrakcja
Jonosfera oraz Troposfera ugina fale radiowe. Ugięcie to nie jest stałe, lecz zależy od aktualnej sytuacji "pogodowej" w jonosferze. Równocześnie sygnały są tłumione. Ze względu na zmienne tłumienie w jonosferze powstają dłuższe czasy obliczeniowe (ang.:runtime), prowadzące do błędów w obliczeniach.
Sygnał satelity znajdującego się wysoko nad horyzontem przechodzi przez jonosferę prawie prostopadle. W przypadku satelity znajdującego się nisko nad horyzontem sygnał musi przebyć dłuższą drogę przez jonosferę i potrzebuje z powodu tłumienia i refrakcji więcej czasu. Ta różnica czasowa powoduje dodatkowy błąd.
Tego typu różnice czasów mogą zostać zidentyfikowane i skorygowane za pomocą DGPS/WAAS/EGNOS przy użyciu informacji o wartościach korekcji. Profesjonalne urządzenia pracują za pomocą transmisji dwukanałowej na różnych częstotliwościach, co pozwala bezpośrednio obliczyć różnice w czasie. Urządzenia tego typu kosztują jednak wiele tysięcy euro.
Tłumienie sygnału
Tłumienie sygnałów powstaje oprócz w jonosferze i atmosferze, także pod drzewami (las), poniżej warstwy chmur, ale także poprzez odzież jeśli urządzenie jest niesione np. w plecaku.
Powoduje to, że i tak bardzo słabe sygnały GPS są jeszcze bardziej tłumione, do tego stopnia, że giną w szumach i nie są w stanie und nicht mehr ausgewertet werden können lub prowadzą do błędnych obliczeń. Zbyt słaby odbiór sygnałów z satelitów jest wskazywany przez niektóre odbiorniki GPS.
W latach wysokiej aktywności słonecznej tłumienie sygnału w jonosferze wzrasta (nowy cykl od 2011).
Refleksje sygnału
Refleksje sygnału na ścianach budynków, zboczach gór, w dolinach, na powierzchni cieków, obszarach pokrytych śniegiem lub lodem tworzą sygnały wielokrotne, odbierane przez urządzenie GPS z pewnym odstępem w czasie. Prowadzi to do nieprawidłowych obliczeń i tzw. "elementów odstających" - pojedynczych punktów, znajdujących się wyraźnie w oddaleniu od właściwego położenia.
Dokładność urządzeń konsumenckich
Przeciętna dokładność urządzeń konsumenckich wynosi około +- 15 m (w "normalnych" warunkach).
W dobrych warunkach odbioru sygnału (np. dach budynku):
| Liczba punktów pomiarowych | dokładność LAT/LON |
dokładność wysokość |
|---|---|---|
| 99 % | ca. +- 5 m | ca. +- 8 m |
| 95 % | ca. +- 4 m | ca. +- 6 m |
| 50 % | ca. +- 2 m | ca. +- 2 m |
Szczegóły patrz Grafiki dziennych niedokładności pozycji, także archiwum
Wszelkie dalsze błędy wynikają z niekorzystnych warunków odbioru oraz zakłóceń odbioru.
Poprawa jakości za pomocą WAAS, EGNOS, MSAS
Stacjonarne stacje naziemne oceniają błędy sygnałów satelitarnych (Orbita satelity, dryf zegara satelity, opóźnienia sygnału przez jonosferę i troposferę), i wysyłają informacje o geostacjonarnych satelitach do odbiornika GPS (SBAS). Większość urządzeń konsumenckich może przeanalizować i oszacować te sygnały.
Przesłanką ku temu jest kontakt wzrokowy do jednego z tych satelitów. W Europie znajdują się one EGNOS-Satellit nisko nad horyzontem w kierunku południowym. Im dalej na północ znajduje się obserwator, tym bardziej niekorzystny (mniejszy) jest kąt nad horyzontem zaś sygnał z satelity jest poprzez zacienienie przerywany lub całkiem nieosiągalny bądź silnie zakłócony poprzez powstające odbicia sygnału.
| System | gdzie | Uwagi |
|---|---|---|
| WAAS | USA | |
| EGNOS | Europa | ~2m dokładności w Europie środkowej (przy wolnym widoku w kierunku południowym) |
| MSAS | Japonia | |
| GAGAS | Indie |
Takie systemy korekcji mogą korygować tylko błędy typu runtime powstające w jonosferze, a nie zakłócenia z powodu tłumienia sygnału, zacienienia lub jego odbicia.
Dla użytkownika często nie jest jasne, czy:
- Korekta EGNOS jest włączona
- Satelita EGNOS jest osiągalny w aktualnej pozycji
- Wbudowany w urządzenie chip odbiera sygnał
- Stosowane przez odbiornik oprogramowanie odbiera i przerabia ten sygnał
- Końcowy wynik jest lepszy (lub gorszy!)
Często brakuje informacji na temat chipu wbudowanego w urządzenie lub też jego wersji i właściwości jak i właściwości używanego w urządzeniu oprogramowania oraz jego wersji. Oczywiste jest jednak że polepszenie obliczenia pozycji jest możliwe tylko jeśli wbudowany chip i stosowane oprogramowanie wspomagają sygnał korekcyjny EGNOS. Może się więc zdarzyć ze na obudowie urządzenia widzimy co prawda napis "EGNOS" jednakże nie ma go w środku :-( a wynik o którym myślimy że będzie lepszy w rzeczywistości będzie gorszy.
Dalsze poprawki za pomocą EGNOS
Ponieważ na terenie Europy satelity EGNOS znajdują się bardzo nisko nad horyzontem i często ich odbiór jest złej jakości SISNeT dane są rozprowadzane też bezpłatnie przez internet za pośrednictwem protokołu FTP. Dzięki temu dane o lokalizacji mogą być później poprawione (EGNOS-Postprocessing). Niezbędnym ku temu warunkiem jest, by urządzenie nagrywało i miało wyjście danych surowych w formacie RINEX. Wyjście danych może zostać osiągnięte przykładowo z niektórymi odbiornikami µBlox- lub Skytraq- oraz przy użyciu oprogramowania rtklib.
Dynamiczne ulepszenia za pomocą DGPS
Stosując DGPS uzyskamy przeciętną dokładność rzędu 5 do poniżej 1 metra.
Aby uzyskać ten cel stosuje się sygnał referencyjny z drugiego odbiornika stacjonarnego.
Niemieckie Wasseramt i Schiffahrtsamt udostępniają pokrywającą prawie cały kraj sieć stacji DGPS, których sygnały long-wave (283,5 do 325,0 kHz) są niekodowane.
Odbiór sygnałów jest możliwy z każdego radia na falach długich, ale analiza wymaga urządzenia GPS z wejściem NMEA NMEA (drugi interfejs) i odpowiedniego oprogramowania do analizy. Zwykłe urządzenia konsumenckie nie mają tej możliwości.
W Polsce istnieje sieć eupos http://www.eupos.org/index.php?option=com_content&task=view&id=34&Itemid=73
SAPOS-DGPS-Signale odbierana także za pomocą GSM lub UMTS albo też dająca się ściągnąć z internetu. By móc z niej korzystać trzeba podpisać odpowiednia umowę. Usługa jest płatna (ok. 150 €/rok, lub 10 €/miesięcznie plus 10 Ct/minutę. http://www.eupos.org).
Obecnie nie jest znane żadne oprogramowanie, które używa danych OpenStreetMap, wykorzystując równocześnie sygnały DGPS w celu podwyższenia dokładności ustalenia własnej pozycji.
Poza tym nie jest znane oprogramowanie (np. dla PDA), które nagrywało by tracki z podwyższoną dokładnością DGPS.
Postprocessing
Urządzenia profesjonalne mogą z reguły nagrywać dane surowe uzyskiwane z każdego satelity. Korzystając z nich oraz z danych korekcyjnych dla czasu dokonanego pomiaru można za pomocą postprocessingu także PO dokonaniu pomiaru uzyskać dokładność położenia rzędu centymetrów.
Późniejsza korekta ścieżek (tracków GPS) za pomocą DGPS
Późniejsza korekta własnych ścieżek GPS powinna być możliwa za pomocą DGPS.
W tym celu należy: w pobliżu obszaru nagrywania ścieżek GPS (promień około 20 km) umieścić w dokładnie określonym miejscu odbiornik GPS i równocześnie nagrywać na niego sygnały z satelity.
Dryf stacjonarnego odbiornika powinien podlegać mniej więcej takim samym zakłóceniom jonosferycznym, jak w przypadku ruchomego odbiornika
Błąd z jonosfery można obliczyć, wystarczy tylko odjąć sygnały od siebie.
Dokładność urządzeń profesjonalnych
Za pomocą urządzeń profesjonalnych osiągana jest dokładność rzędu kilku centymetrów bądź milimetrów. Urządzenia te kosztują wiele tysięcy euro. Także używanie sygnałów korekcyjnych jest płatne. Każdy geodeta (Gmina, firma budowlana, biuro projektów) pracuje z takimi urządzeniami. Zazwyczaj można od nich uzyskać bez problemu punkty referencyjne, przykładowo dla skrzyżowania - i używać potem tego punktu do georeferencje tracków GPS, zdjęć lotniczych i map OSM. :-)