GNSS Değerlendirme Yazılımları

Transkript

Bülent Ecevit Üniversitesi
Jeodezi ve Fotogrametri
Mühendisliği Bölümü
JDF 459 GPS Uygulamaları Ders
Notları
Yrd. Doç. Dr. Kurtuluş Sedar GÖRMÜŞ
Kısaca GNSS…
• Jeodezik amaçlı konum belirleme teknikleri tarih boyunca gelişim ve
değişim göstermiştir. Günümüz teknolojisinin vardığı noktada, en
yaygın olarak kullanılan konum belirleme tekniği GPS ya da GNSS
(Global Navigation Satellite System) Sistemi’dir.
• Herhangi bir zamanda, dünyanın herhangi bir yerinde bulunan bir
kullanıcının konumunu belirleyen ve en az 4 uydudan kod-faz varış
zamanının ölçülmesi esasına dayanan bir uydu ölçme sistemidir.
• Sistem, temel olarak jeodezideki en eski tekniklerden biri olan
“geriden kestirme” esasına dayanır. Geriden kestirme, konumu
bilinmeyen bir noktadan konumu bilinen noktalara yapılan gözlem ve
hesapları kapsar.
• Konumu bilinen noktalar GPS uydularıdır. Bilinmeyenler, bulunulan
noktanın yer merkezli (earth-fixed) kartezyen koordinatlarıdır (X,Y,Z).
Matematik kuralı olarak bu 3 bilinmeyenin çözümü için 3 ölçü değeri
yetiyor gibi gözükse de, saat hatalarını ortadan kaldırmak için en az 4
tane konumu bilinen uyduya ihtiyaç vardır. GPS, 4 boyutlu bir sistemdir
(3D+zaman).
Yrd. Doç.Dr. K.Sedar GÖRMÜŞ
GNSS’DEKİ SON GELIŞMELER
•
•
•
•
1973’lü yıllarda Amerikan askeri ihtiyaçlarını karşılamak amacı ile ilk temelleri atılan GPS sistemine
alternatif sistemler planlanmış ve planlanmaya devam edilmektedir. Bunlardan şu anda Rusya
Federasyonunun uyduları olan GLONASS sistemi aktif olarak kullanılabilmektedir. Sistem uzay, kontrol
ve kullanıcı bölümü olarak üç ana bileşenden oluşmaktadır. Uzay bölümünde 3 yörünge ve her bir
yörüngede 8 uydu olmak üzere 24 uydu olacak şekilde planlanmıştır. Fakat uydu sayısı günümüzde
planlanandan çok daha azdır. Tam olarak operasyonal hale gelmese de bu sistem, uyumlu alıcılar ile
beraber GPS sistemi ile kombine olarak kullanılırsa daha iyi uydu dağılımı ve daha iyi hassasiyet
sağlamaktadır.
GPS ve GLONASS sistemlerine diğer bir alternatif olarak Avrupa Birliği tarafından GALİLEO sistemi
tasarlanmıştır. GALİLEO tasarısı 1999 yılında Almanya, Fransa, İtalya ve İngiltere'den gelen dört farklı
tasarı önerisini değerlendirilmesiyle başlamıştır. 26 Mayıs 2003 tarihinde Avrupa Birliği ve Avrupa
Uzay Ajansı tasarıyı resmi olarak üstlenmiştir. Sistemin uzay bölümü 27’si aktif ve 3’ü yedek olmak
üzere 30 uydudan oluşacaktır. Günümüzde 23 uydu aktif olarak kullanıma açıktır.
Ayrıca Çin Hükümeti, Asya ve Batı Pasifik kesimi için geliştirdiği BeiDou sistemi navigasyon ihtiyaçlarını
karşılamak için hem GPS hem de GLONASS sinyallerini barındıracak şekilde planlanmıştır. Sistemde,
Çin üzerinde yeryüzünden 36000 km uzaktaki yörüngelerinde 8 adet uydu aktif olarak görev
yapmaktadır. Sistemin devamı niteliğinde olan global çözüm sağlayacak olan COMPASS (BeiDou-2)
için yersabit 5 yörüngeye 35 uydu fırlatılması düşünülmüş ve sistem tam operasyonal hale 2020’den
sonra geçmesi planlanmaktadır.
Bu sistemlerin haricinde Hindistan hükümetinin Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS)
ve Japonların Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) teknolojileri de mevcuttur. IRNSS, Hindistan ve
yakın çevresinde çözüm sağlayacak ve 2014 yılından itibaren operasyonal hale gelmesi
planlanmaktadır. QZSS ise Japonya etrafında kullanılmakta olup ilk uydusu 2010 yılında yörüngesine
yerleştirilmiş ve 2013 yılında tam operasyonal hale geçmesi planlanmaktadır. Yrd. Doç.Dr. K.Sedar GÖRMÜŞ
GPS
• 1973 yılında ABD Savunma Bakanlığı DOPPLER sisteminin yerine alacak
olan NAVSTAR-GPS olarak adlandırılan navigasyon ve konumlama sistemini
kurmuştur. Sistemin ilk kuruluşundaki ana amacı ABD silahlı kuvvetlerinin
vuruş gücünü artırmaktı.
• GPS sistemi daha sonra sivil kullanıma açıldı. GPS sistemini temel özelliği
yeryüzü üzerindeki her yerde uygun koşullarda anlık konum bilgisi
sağlamasıdır.
• 21 aktif 3 yedek olmak üzere 24 GPS uydusu altı yörüngede neredeyse
dairesel yörüngede yeryüzünden yaklaşık 20200 km yükseklikte
dönmektedirler.
• Blok-I GPS uydusunun ilki olan PRN 4 22 Şubat 1978 tarihinde fırlatıldı.
Blok-I uydularını Blok-II, IIA ve IIR uyduları izledi. Güncel olarak Blok-I,
Blok-IIA ve Blok-IIR uyduları aktif olarak görev yapmaktadır.
GPS Sinyal Yapısı
GLONASS Sistemi
•
•
•
•
•
•
•
GLONASS sistemi Ruslar tarafından 1991 yılında küresel kapsama amacıyla ile 1976
yılında, kuruldu. 1995 yılında tamamlanmak üzere 2 Ekim 1982 tarihinde
başlayarak GLONASS uyduları fırlatılmaya başlandı.
GLONASS Sovyet askeri kuvvetlerinin balistik füzelerinin gerçek zamanlı konum ve
hız tespiti ve hedeflemedeki hassasiyetini artırmak için geliştirilmiştir. Rus
ekonomisinin bozulmasıyla GLONASS sistemine yatırımlar durmuş, uyduların
modernizasyonu gerçekleştirilememiştir. 2001 yılından itibaren Rusya, Hindistan ile
beraber sistemi tekrar çalıştırmaya başlayarak yatırımlarını artırmıştır.
2008 yılında kullanımda 18 uydu, 2009 yılında 21 kullanımda 3’ü yedek olmak
üzere 24 uydu hedeflenmiştir. 2011 yılında GPS sistemi ile entegrasyon
hedeflenmektedir.
GLONASS Sinyal Yapısı:
- L1, L2 taşıyıcı frekansları
- L1 ve L2 C/A kodları
- L1 ve L2 P-kodları
GALILEO
• GALILE sistemi Avrupa birliği ülkeleri tarafından sivil kullanım
amaçlı olarak kurulmaktadır.
• Özelikle kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu ve arama
kurtarma çalışmaları için planlanmaktadır. İlk deneysel uydu,
GIOVE-A, 28 Aralık 2005 tarihinde ikinci uydu GIOVE-B, 27
Nisan 2008 tarihinde fırlatılmıştır. 27 kullanımda ve 3 yedek
uydu olmak üzere planlanan sistemin tam aktif olarak 2015
yılında devreye girmesi beklenmektedir.
• GALILEO Sinyal Yapısı:
• - L1, E1, E2, E5 ve E6 sinyalleri
GPS Faz Merkezi
GPS Ölçme Yöntemleri
• GPS’de ölçülen noktaların cinsine, istenen duyarlılığa ve amaca göre
farklı ölçme metotları uygulanır. Sonuçta elde edilen koordinatlar alıcı
tipine, gözlem süresine, uyduların konumu ve sayısına, ölçü tipine
göre değişir.
• Bir noktanın doğrudan doğruya dünya üzerindeki konumu (enlem,
boylam, yükseklik veya X,Y,Z) belirleniyorsa buna mutlak konum
belirleme (Point Positioning) denir.
• Mutlak konum belirlemede tek bir alıcı ile normal olarak dört yada
daha fazla uydudan kod gözlemleri yapılarak üzerinde alıcı kurulu olan
noktanın koordinatları belirlenmektedir.
Bağıl Konum Belirleme
Birden fazla noktanın birbirine göre konumlarının belirlenmesine ise bağıl konum
belirleme (Relative Positioning) denir.
Bağıl veya diğer adıyla göreli konum belirlemede koordinatı bilinen bir noktaya GÖRE
diğer nokta yada noktaların konumları belirlenir..
Faz Gözlemlerini Kullanarak yapılan göreli
Konum Belirlemede 5 farklı yöntem vardır..
*Statik Ölçü Yöntemi
*Hızlı Statik (Rapid/Fast) Ölçü Yöntemi
*Tekrarlı Ölçü Yöntemi
*Dur-Git Ölçü Yöntemi
*Kinematik Ölçü Yöntemi
Statik Ölçme Yöntemi
• 20km’den uzun bazların çözümünde kullanılır. Güvenilir ve yüksek duyarlık istenen
çalışmalarda kullanılır. Ölçü süresi uzundur ve baz uzunluğu ile orantılıdır. Kayıt
aralığı 10 sn’dir. (Jeodezik kontrol ölçmeleri, deformasyon ölçmeleri)
• Bu yöntemde iki yada daha fazla sayıda alıcı ile en az bir saat eş zamanlı ölçü
yapılması gerekir.
Hızlı Statik Ölçme Yöntemi
•
20km’ye kadar olan bazlar için uygundur. Gözlem süresi daha kısadır. Bu yöntemde
bir alıcı, konumu bilinen nokta üzerindedir, diğeri (rover) koordinatı bilinmeyen
noktalar üzerinde 5-15 dk bekletilerek gezdirilir.
•
Güvenilirliği arttırmak için 2 sabit alıcıdan iki vektör ile ya da 1 alıcıdan iki farklı
zamanda 2 vektör ile noktaya ulaşılmalıdır. Kayıt aralığı 5-10 sn’dir. (Kontrol
ölçmeleri, poligon ağı ölçmeleri)
Tekrarlı Ölçme Yöntemi
• Bu yöntem Statik ile Kinematik arası bir yöntemdir. Bu yöntemde her bir
nokta en az 10’ar dakikalık süreler ile iki defa ölçülmeli ve bu iki ölçü arasında
en az 1 saat fark olmalıdır.
• İki ölçü en fazla 4 saat içerisinde tekrar edilmelidir.Ölçüler değerlendirilirken
bu iki bağımsız ölçü kümesi sanki her noktada tek bir gözlem varmış gibi ele
alınmakta ve her iki ölçüde mevcut tüm uydular kullanılmaktadır.
Dur-Git Ölçme Yöntemi
Bu yöntemde yine bir alıcı konumu bilinen nokta üzerinde sabit ve sürekli olarak
izleme yapmaktadır.
Birinci noktada hızlı statik ölçümü yapılıyormuş gibi birkaç dakika gözlem yapılır.
Birkaç dakikalık faz belirsizliği çözümü gözlemi yapıldıktan sonra ikinci
kapatılmadan uydu gözlemi devam ederek diğer noktalarda birkaç epokluk (10-20
sn) gözlemler yapılır.
Gezici alıcının uydu gözlemesinde kesinti olması durumunda (4 uydu altına
düşme) İşleme tekrar başlanır…
Kinematik Ölçme Yöntemi
• Dur-Git yönteminin daha genel bir şeklidir. Burada amaç noktaların ölçülmesi değil de hareket
eden antenin gezi yolunun belirlenmesidir.
• Bu yöntemde de başlangıç faz belirsizliğinin çözülmesi gerekir. Yöntem hızlı ve ekonomik bir
ölçü tekniği olup özellikle hareket halinde ve hidrografik ölçmelere uygundur.
• Dur-git, Sürekli Kinematik ve Kinematik on-the-fly bu yöntemlerin alt dallarıdır..
DGPS Ölçme Yöntemi
•
•
•
DGPS tekniğinde biri sabit diğeri gezici olmak üzere en az iki alıcıya gereksinim
vardır. Sabit alıcı konumu hassas bilinen nokta üzerine kurulur ve gezen alıcının
konumu belirlenir.
Sabit alıcı, gözlem yaptığı tüm uydulara ait uydu-alıcı uzaklıklarını hesaplar ve
kendi duyarlı konumundan yararlanarak hesapladığı pseudorange’ler ile karşılaştırır.
Aradaki farklar gözlem hatasıdır ve bu farklar gezici alıcının hesapladığı konumlara
düzeltme olarak gelir.
Düzeltmeler gezici alıcılara portatif telsizler, yer istasyonları veya uydular
vasıtasıyla yayınlanır..
Gerçek Zamanlı Kinematik GPS (RTK)
•
GZK-GPS tekniği, yöntem olarak DGPS (Diferential GPS)'e benzemektedir. Yöntemlerin birbirinden farkı,
GZK-GPS’in taşıyıcı dalga faz gözlemlerini, DGPS’in ise kod ölçüsünü kullanmasıdır. Bu metot, gerçek
zamanda hassas diferansiyel GPS (PDGPS) olarak da tanımlanabilir.
•
Yöntemin basit mantığı, referans istasyonundaki GPS alıcısı ile uydu arasındaki herhangi bir t epoğunda
ölçülen taşıyıcı faz uzunluğu ile uydu-alıcı arasındaki koordinat farklarından hesaplanan geometrik
uzunluk karşılaştırılması ve taşıyıcı faz ölçülerine getirilecek düzeltme değerini hesaplanarak gezici
alıcılara iletmesinden ibarettir.
•
Gezici alıcılar, kodlanarak radyo dalgaları üzerine modüle edilmiş olan bu düzeltmeleri alarak kendi taşıyıcı
faz ölçülerine düzeltme olarak getirirler
•
GZK-GPS yöntemi ile konum belirlemede yüksek duyarlık elde etmek istenirse, en az beş uyduyu eş
zamanlı gözlemlemek gerekmektedir. Hesaplamalar gerçek zamanda olduğu için, herhangi bir nedenle
(faz sıçraması, yüksek yapılar, ağaçlar, vb.) uydu sayısı 4’e düştüğünde gezici alıcı hesabı durdurur ve
kullanıcıyı sinyalle uyarır. Böyle durumlarda, tamsayı faz belirsizliği kısa bazlarda, (20 km’den kısa) birkaç
dakikada çözülerek gözlemlere yeniden başlanır.
•
GZK-GPS ile konumlamada karşılaşılan zorluklardan birisi de düzeltmelerin referans alıcıdan gezici alıcılara
yayınlanması için iletişimin sağlanmasıdır. Kullanılan radyo modemler sayesinde düzeltmeler gezici alıcıya
gönderilir. Gezici alıcılar ise aldıkları düzeltme değerleri ile kendi hesapladığı koordinat değerlerine
düzeltme getirerek daha duyarlı konum bilgilerine ulaşırlar. Radyo sinyalinin maksimum yayılım mesafesi
radyo vericisinin gücüne bağlı olarak, 50 km’ye kadar ulaşmaktadır, fakat uygulamada sinyalin yolu
üzerindeki herhangi bir engel yayımlanma mesafesini etkileyeceğinden, bu mesafeden düzeltme verisi
almak mümkün olmamaktadır.
Uydu 3
Uydu 1
Uydu 4
Uydu 2
Uydu 5
RTCM Düzeltme Değerleri
Gezici Alıcı
Referans Alıcı
Tusaga-Aktif…
• “Sürekli Gözlem Yapan GNNS Istasyonları Agı ve Ulusal Datum
Dönüsümü Projesi (TUSAGA-Aktif /CORS-TR)” Istanbul Kültür
Üniversitesi (IKÜ) yürütücülügünde, Harita Genel Komutanlıgı
(HGK) ve Tapu ve Kadastro Genel Müdürlügü (TKGM) müsterek
müsteri olmak üzere, 08 Mayıs 2006 tarihinde başlamış olup,
Aralık 2008 itibariyle tamamlanmasıyla faaliyete geçmiştir.
• Tüm istasyonlardan toplananan veriler ADSL ve GPRS/EDGE
(ADSL çalısmadıgı zamanlarda devreye girecek) yolu ile veri
merkezlerine aktarılmakta ve burada düzeltme parametreleri
hesaplanarak tüm kullanıcılara sunulmaktadır. Gerçek Zamanlı
Kinematik (RTK) düzeltme verileri RTCM (Radio Technical
Commission for Aeronautics) iletisim formatında olup ve GSM,
GPRS, NTRIP (Internet Protokolü Üzerinden RTCM Verisinin Ag
Dagıtımı) vasıtalarından biri veya birkaçı yardımıyla gezici
alıcılara gönderilmektedir .
CORS-TR İstasyonları (146 İstasyon, 80-100 km mesafelerde)
Datum Kavramı
• Datum, herhangi bir noktanın yatay ve düşey konumunu
tanımlamak için başlangıç alınan referans yüzeyidir.
• Datum, Yer’in şeklini ve boyutunu tanımlayan bir referans
sistemidir.
– Yatay datum: Koordinatlar için referans alınan başlangıç yüzeyi
– Düşey datum: Yükseklikler için referans alınan başlangıç yüzeyi
• Bir
datum;
elipsoidi,
enlem-boylam
ve fiziksel bir orijin ile tanımlanır.
oryantasyonu
Uydu Yörüngeleri…
GPS satellite’s track on earth SV06 on doy 060, 2008
• GPS gözlemleri ile beraber alıcılarda kaydedilen
yayın efemerisi GPS’in kontrol birimini oluşturan 6
noktadan elde edilir ve 2 saatte bir güncellenir.
Bilindiği üzere GPS, kontrol birimi izleme ve kontrol
istasyonlarından oluşmaktadır. Bu istasyonlar tüm
GPS uydularından pseudorange, doppler ve taşıyıcı
faz gibi izleme ölçümü yapar.
• Yörünge bilgisi GPS’in izleme istasyonlarında
toplanan verilerle belirlenmekte ve uzun süreli
gözlemler kullanmayıp prediksiyona gidildiğinden,
yayın efemerisi doğruluğu 2 ila 3 m arasında
değişmektedir.
• Dolayısı ile uzunlukları 10 km’yi aşan gözlemlerde
yayın
efemerisi
ile
doğruluklu
sonuçlar
bulunmayacaktır.
International GPS Service (IGS)
• GPS’in kendi yörünge bilgileri çok uzun bazlı
değerlendirmelerin
doğruluk
ihtiyaçlarını
karşılayamadığı için yörünge verilerinin çok daha
hassas hesaplayıp dağıtan International GPS
Service (IGS) kurulmuştur.
• Kuruluş amacı jeodezik ve jeofizik araştırmalara
destek olmak, dünya çapında kurulan global bir
GPS ağı ile birtakım çalışmaları kolaylaştırmak ve
GPS uygulamaları için söz konusu çalışmaları
standartlaştırmaktır.
IGS global izleme istasyonlarından elde ettiği
verileri;
• Yüksek doğruluklu GPS uydu efemerisleri
• Yer dönme parametreleri
• IGS izleme istasyonları koordinatları ve bu
noktalara ait hız vektörleri
• GPS uydu ve IGS izleme istasyonlarına ilişkin saat
bilgileri
• Zenit gecikmeleri
IGS Yörünge Ürünleri
Efemeris
Doğruluk
Süre
Güncelleme
Örnekleme Aralığı
Yayın Efemerisi
~260 cm
Anlık
-
Günlük
Ultra Hızlı
~25 cm
Anlık
Günde 2 Kere
15 dk
Hızlı
5 cm
17 saat
Günde 1 Kere
15 dk
Final
<5 cm
~13 gün
Haftada 1 Kere
15 dk
Receiver Independent Exchange
Format (RINEX)
• Farklı GNSS alıcılarından toplanan gözlem verilerinin
herhangi bir GNSS değerlendirme yazılımında
çözülmesini sağlayan ortak veri formatıdır.
• RINEX formatı 4 farklı ASCII dosyadan oluşur.
• SSSSdddf.yyt
SSSS: 4 Karakterli nokta adı
ddd : Yılın günü (DOY; Day of year)
f
: Aynı gün içerisindeki dosya sıra numarası
yy : Yıl
t
: Dosya tipi (O: Gözlem, N: Navigasyon (Efemeris),
M: Meteorolojik veri, G: Glonass Navigasyon Dosyası)
GNSS Anteni Faz Bilgileri
• Alıcı anteni faz merkezi GPS sinyallerinin antene ulaştığı nokta olup
bu nokta genellikle geometrik faz merkezinden kayıktır.
• Anten faz merkezi değişim miktarı her anten yapısı ve modeli için
faklıdır.
• Anten faz merkezi değişimlerinin mutlak suretle GPS ölçülerinin
değerlendirilmesinde dikkate alınması gerekir.
• Özellikle Jeodezik ağdaki noktalarda farklı tipte GPS anteni kullanıldı
ise değerlendirme yazılımlarında anten faz merkezleri
güncellenmelidir.
• Piyasada bulunan bir çok GPS alıcısı için faz merkezi kalibrasyon
verileri NGS (Antenna Calibration at the National Geodetic Survey)
internet sitesinden elde edilebilir.
Anten Faz Merkezleri Kalibrasyon Verileri
GNSS Yazılımları
• Ticari GNSS Yazılımları
– Thales GNSS
– Topcon Turbo Survey
– Leica Geo Office
– GeoGenius
• Akademik GNSS Yazılımları
– Gamit/GLOBK
– Bernese
– GIPSY
• Jeodezik uygulamalarda GPS yöntemi ile toplanan ölçülerin
değerlendirilmesinde genellikle ticari yazılımlar kullanılır.
• Ticari yazılımlar ile çözülebilen baz uzunlukları sınırlıdır.
Günümüzde
kullanılan
bu
tür
yazılımlarla
değerlendirilebilen en uzun baz büyüklüğü genellikle 1000
kilometrenin altındadır. Ayrıca bu yazılımlar kullanıcıya çok
az müdahale seçeneği sunmaktadır.
• Ticari yazılımlar uzun baz çözümlerinde standart tanımlama
kısıtlamalarından dolayı çözüm üretemezler. Diğer bir ifade
ile uzun baz çözümleri için geliştirilen matematiksel
yaklaşımlar ve kullanılan modeller ticari yazılımlara henüz
entegre edilememiştir.
• Anılan yaklaşım ve modellerin kullanıldığı ve çok daha uzun
bazların çözümüne olanak sağlayan yazılımlar bilimsel
yazılımlar olarak adlandırılır ve bilimsel amaçlı akademik
çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Leica Geo Office
Serbest Dengeleme Ekranı
Kaynaklar
•
•
•
•
•
Şenol Hakan Kutoğlu Ders Notları
Çetin Mekik Ders Notları
İbrahim Tiryakioğlu Ders Notları
Rahmi Nurhan Çelik Ders Notları
BÜ KRDAE Jeodezi Anabilim Dalı Ders Notları
Teşekkür Ederim….

GNSS Değerlendirme Yazılımları

Transkript

Benzer belgeler

Güvenlik Akademisi Programı

Faaliyet Raporu 2012-2013 - Kimya Mühendisliği

Yürütücü - Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina