Logistyka.net.pl

Wiarygodność odbiorników nawigacji satelitarnej

nawigacja satelitarna, dokładność odbiorników GPS

SZULC Dariusz

WIARYGODNOŚĆ ODBIORNIKÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ
W artykule zaprezentowano wyniki statycznych pomiarów pozycji z wykorzystaniem wybranych odbiorników GPS. Statystyczne ujęcie wyników rejestracji ma na celu określenie wiarygodności oraz dokładności określania pozycji przez te odbiorniki w nawiązaniu do danych technicznych opisanych przez producentów.

CREDIBILITY OF SATELLITE NAVIGATION RECEIVERS
The article presents the results of static measurements of selected positions using GPS receivers. Statistical recording of the results of registration is to determine the credibility and accuracy of the positioning of these receivers in relation to the technical data described by the manufacturers.

1. WSTĘP
W dobie dzisiejszego tempa rozwoju wielu dziedzin naukowych ważnym stało się ich unowocześnianie, usprawnianie oraz ułatwianie użytkowania. Szczególnie widoczne jest to w geodezji i nawigacji. Dzięki postępowi technologicznemu nastąpił gwałtowny rozwój systemów satelitarnych, gdzie ciągle wprowadzane są coraz to nowe, lepsze, bardziej precyzyjne techniki pomiarowe lub systemy ich wspomagania.
Globalny System Pozycjonowania GPS znajduje wiele zastosowań i szybko wszedł do praktycznego użytku. W pomiarach geodezyjnych bardzo wysokie wymagania stawiane są odnośnie precyzji, dokładności, szybkość otrzymywania danych oraz niezawodności. Do tego celu używa się techniki DGPS lub GPS RTK. Dodatkowym systemem wspomagającym jest system ASG EUPOS gdzie otrzymujemy wyniki w granicach kilkunastu centymetrów a nawet milimetrów w zależności od serwisu. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że dokładność systemu pozycjonowania to jedno a dokładność pozycjonowania przez odbiornik w połączeniu z odpowiednią anteną to drugi element wpływający na jakość otrzymanej pozycji.
Akademia Marynarki Wojennej, d.szulc@amw.gdynia.pl

Dariusz SZULC
2. OPIS TESTOWANYCH ODBIORNIKÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ
2.1 Odbiornik Mini Max firmy CSI Wireless
Odbiornik Mini Max zapewnia wysoki poziom wydajności pozycjonowania.
Zapewniają to: wbudowany demodulator SBAS oraz wbudowany moduł DGPS Beacon.
Mini Max umożliwia przetwarzanie surowych danych w procesie postprocessingu oraz zapewnia doskonałą jakość pomiarów fazowych.

Rys. 1. Odbiornik Mini Max firmy CSI Wireless
Najważniejsze cechy odbiornika Mini Max:
• 12-kanałowy moduł GPS ( 2 kanały przeznaczone do śledzenia SBAS)
• Poniżej metrowa pozioma dokładność wyznaczania pozycji (p=0.95)
• Nieprzetworzone dane wyjściowe (udokumentowane informacje binarne)
• Aktualizowanie pozycji i nieprzetworzonych danych z częstotliwością max. 5Hz
• e-Dif-ready - dowolna stacja bazowa w pozycjonowaniu różnicowym
• WAAS/EGNOS i Beacon posiadają zróżnicowane źródła
• Szybki czas pierwszej poprawki
• Dwa porty szeregowa dla transmisji duplexowej, z których jeden może być używany jako port wejściowy RTCM, skonfigurowane w jednym złączu DB
2.2 Odbiornik Ashtech GG firmy Magellan Corporation












Najważniejsze cechy odbiornika Ashtech GG24:
Dokładność w Real-Time: Niezależny - 3,2m; Różnicowy: 40 cm
12 kanałów L Dla GPS
12 kanałów L dla GLONASS
Wyjście danych RAW
Modele geoidy i deklinacji magnetycznej
Standard NMEA 0183 v 2.01
Układy odniesienia wybierane i definiowane przez użytkownika
Pomiary różnicowe: RTCM v 2.2
Aktualizowanie pozycji i nieprzetworzonych danych z częstotliwością do 2 Hz
Opcja RTK

WIARYGODNOŚĆ ODBIORNIKÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ

Rys. 2. Odbiornik Ashtech GG firmy Magellan Corporation
2.3 Antena Pinwheel firmy Novatel
Dane operacyjne:
• Pasmo przepustowe 3 dB:
- L1: 1588.5 ± 23.0 MHz
- L2: 1236 ± 18.3 MHz
• Wzmocnienie LNA: 29 dB
• Wzmocnienie w zenicie (90º):
- L1: min. +5.0 dBic
- L2: min. + 2.0 dBic
• Współczynnik szumów: 2.0 dB
• VSWR: ≤ 2.0 : 1
• Opóźnienie propagacji różnicy L1-L2: max 5ns

Rys. 3. Antena Pinwheel firmy Novatel
2.4 Antena MGL-3 firmy CSI Wireless
Dane operacyjne:
• Zakres częstotliwości, Beacon: 283,5 - 325 kHz
• Wzmocnienie LNA, Beacon: 34dB
• Zakres częstotliwości, GPS: 1,575 GHz
• Wzmocnienie LNA, GPS: różna dostępność

Rys. 4. Antena MGL-3 firmy CSI Wireless
Dariusz SZULC

3. REJESTRACJA DANYCH POMIAROWYCH

W celu określenia pozycji w systemie GPS wykonano kilka sesji pomiarowych.
Wszystkie obserwacje zostały przeprowadzone w laboratorium Akademii Marynarki
Wojennej w Gdyni: punkt pomiarowy 1 na budynku nr 7 oraz punkt pomiarowy 2 na budynku 353 (rys. 5). Wykonano łącznie 7 minimum 48-godzinnych sesji pomiarowych, rejestrując dane co 1 s. Dane rejestrowane były w formacie NMEA-0183. Pomiary wykowywane były w trybie GPS, DGPS oraz GPS+Glonass.

Rys.5. Widok na punkty referencyjne na terenie AMW w Gdyni.
W celu zapewnienia zróżnicowanych warunków odbioru w poszczególnych seriach pomiarowych zmieniano także anteny do poszczególnych odbiorników.

Tryb

Tab. 1. Przypisanie odbiorników i anten do trybów wykonanych pomiarów
Odbiornik
MiniMax
MiniMax
Ashtech
+ antena
+ MGL-3
+ Pinwheel
+ Pinwheel
GPS

X

DGPS

X

GPS + Glonass

X

X

X

WIARYGODNOŚĆ ODBIORNIKÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ
4. OPIS STATYSTYCZNY ZAREJESTROWANYCH OBSERWACJI
4.1 Częstość występowania danego wyniku w zależności od odległości od punktu statycznego

a)
b)
Rys. 5. Ilość powtórzeń danego pomiaru w zależności od odległości od punktu statycznego odbiornika Mini Max z anteną MGL-3 a) dla trybu GPS b) dla trybu DGPS

a)
b)
Rys.6. Ilość powtórzeń danego pomiaru w zależności od odległości od punktu statycznego dla trybu GPS a) odbiornika Mini Max z anteną Pinwheel, b) dla trybu GPS odbiornika
Ashtech z anteną Pinwheel

Rys. 7. Ilość powtórzeń danego pomiaru w zależności od odległości od punktu statycznego dla trybu GPS+Glonass odbiornika Ashtech z anteną Pinwheel

3692

Dariusz SZULC

Spośród wszystkich pomiarów najlepsze wyniki otrzymane są z odbiornika Mini Max pracującego z anteną Pinwheel w trybie GPS oraz pomiar tym samym odbiornikiem w trybie DGPS z anteną MGL-3, gdzie liczące się zagęszczenie punktów mieści się w odległości do 3 m. W obu jednak przypadkach najwięcej powtarzających się danych pomiarowych mieści się w przedziale 0,6 - 1,5 m. Nieco gorsze wyniki uzyskane zostały z trybu GPS dla Mini Max z jego oryginalną anteną. Odbiornik Ashtech pokazuje nawet 4metrowe i bardziej rozrzucone odległości od punktu statycznego. GPS+Glonass nie dał oczekiwanych rezultatów a współrzędne są aż do 11 m odsunięte od zamierzonego wyniku.
Odbiornik Mini Max z anteną MGL-3 w trybie DGPS osiągnął aż 40% wyników w najmniejszym przedziale, czyli do 0,6 m. W tym przypadku odległości od punktu głównego rozłożone na 2 grupy, więc ponad 90% danych mieści się w granicy do 2,4m.
Pomiar DGPS Mini Max-em z anteną MGL-3, z definicji, po raz kolejny przewyższa GPS z tą samą anteną, a także GPS mierzony odbiornikiem Ashtech. Tryb GPS+Glonass wskazuje najwięcej wartości powyżej 6 m. Oznacza to, że daje on najmniej dokładne i najbardziej oddalone od punktu statycznego pomiary.
4.2 Wybrane rozkład odległości zarejestrowanych danych od punktu statycznego w przestrzeni dwuwymiarowej

Rys. 8. Dwuwymiarowy rozkład odległości od punktu statycznego w trybie GPS dla odbiornika a)Mini Max z anteną MGL-3 b) Ashtech z anteną Pinwheel

WIARYGODNOŚĆ ODBIORNIKÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ
Rys. 9. Dwuwymiarowy rozkład odległości od punktu statycznego w trybie GPS+Glonass dla odbiornika Ashtech z anteną Pinwheel
Wykresy w przestrzeni dwuwymiarowej mają tendencję północno wschodnią.
Większość punktów oddalonych od środków układów współrzędnych umieszczona jest w pierwszych ćwiartkach. Najbliższe skupienie danych pomiarowych wokół punktu statycznego pokazuje odbiornik Mini Max z anteną Pinwheel w trybie GPS, jednocześnie dane nie są porozrzucane jak w przypadku reszty wykresów, lecz są zbite razem. Punkty są również równo rozmieszczone w poszczególnych ćwiartkach, czyli 24-26%. Zbliżony procent rozmieszczeń na wykresie ma tryb GPS mierzony Ashtechem, ale w tym przypadku równomierne rozmieszczenie nie przekłada się na minimalizację odległości od punktu statycznego. Punkty porozrzucane są prawie do 8 m na wschód. DGPS mierzony odbiornikiem Mini Max wskazuje minimalną ilość punktów w jednej z ćwiartek, co nie ma większego wpływu na odległości, gdyż DGPS jest jednym z najbardziej dokładnych pomiarów. Jedynie wykres wygląda na nieco przesunięty na północny wschód. Najwięcej punktów, w przypadku trybu GPS dla Mini Max i anteny MGL-3, znajduje się w północnej części układu. Jednak są to punkty znacznie bardziej porozrzucane niż w przypadku tego samego odbiornika i tej samej anteny dla trybu DGPS. Najgorzej wypadł GPS+Glonass, gdzie punkty nie są zbyt skupione obok siebie a i odległości do punktu głównego są największe spośród wszystkich przypadków.
4.3 Miary tendencji centralnej i rozproszenia danych
Współrzędne punktów statycznych:
• Na dachu budynku nr 353:
φ = 54º,658111`

λ = 018º,771015`

Dariusz SZULC

• Na dachu budynku nr 7:
φ = 54º,619303`

λ = 018º,649863`
Tab. 2. Zestawienie liczb środkowych

Mediana

GPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

DGPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

GPS:
Mini Max
+ Pinwheel
/7/

GPS:
Ashtech
+ Pinwheel
/7/

GPS+Glonass:
Ashtech
+ Pinwheel
/7/

Szerokość geograficzna

54º,65864`

54º 32,65859`

54º 32,61934`

54º 32,6191`

54º,619`

Długość geograficzna

18º,77128`

18º 32,77135`

18º 32,64987`

18º,64989`

18º,651`

Odległość od punktu statycznego [m]
Tab. 3. Zestawienie najczęściej występujących pozycji
GPS:
GPS+Glonass:
DGPS:
GPS:
Ashtech
Mini Max
Mini Max
Ashtech
+ Pinwheel
+ Pinwheel
+ Pinwheel
+ MGL-3
/7/
/7/
/353/
/7/

Dominanta

GPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

Szerokość geograficzna

54º 32,6584`

54º,65859`

54º,61959`

54º,61869`

54º 32,619`

Długość geograficzna

18º,77158`

18º,77132`

18º,64989`

18º,64997`

18º 32,651`

Odległość od punktu statycznego
[m]
WIARYGODNOŚĆ ODBIORNIKÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ
Tab. 4. Zestawienie odchyleń standardowych
GPS:
GPS:
GPS+Glonass:
Mini Max
Ashtech
Ashtech
+ Pinwheel
+ Pinwheel
+ Pinwheel
/7/
/7/
/7/

Odchylenie standardowe

GPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

DGPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

Szerokość geograficzna
Długość geograficzna
Odległość od punktu statycznego
[m]
Wariancja

GPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

DGPS:
Mini Max
+ MGL-3
/353/

GPS:
Mini Max
+ Pinwheel
/7/

Tab. 5. Zestawienie wariancji
GPS:
GPS+Glonass:
Ashtech
Ashtech
+ Pinwheel
+ Pinwheel
/7/
/7/

Szerokość geograficzna
Długość geograficzna
Odległość od punktu statycznego
[m]
5. WNIOSKI
Rejestracja danych pomiarowych odbywała się z użyciem: odbiorników Mini Max i
Ashtech; antenami MGL-3 i Pinwheel oraz w trybie GPS, DGPS, GPS+Glonass na dachach budynków 7 oraz 353 terenu Akademii Marynarki Wojennej podczas dobrych warunków pogodowych. Najlepszym zestawem okazał się odbiornik Mini Max i antena
Pinwheel pracujące w trybie GPS. Uzyskał on najlepsze wyniki pomiarów w niemal wszystkich rozpatrywanych kategoriach. Skupienie pomiarów najbliżej punktu statycznego oraz ich rozkład było w tym przypadku największe. Znaczna większość

3696

Dariusz SZULC
wyników odsunięta była tylko do 2,4 m od punktu referencyjnego. Wybranie tego zestawu pomiarowego jest najlepszą możliwą konfiguracją. Drugim dobrym wynikiem był tryb
DGPS tego samego odbiornika z anteną MGL-3. Z założenia, DGPS powinien podawać dokładniejszą pozycję, jednak w tym przypadku różnica anten miała ogromne znaczenie.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] Krupowicz A.: Metody numeryczne zagadnień początkowych równań różniczkowych zwyczajnych, Warszawa, PWN 1986.
[2] Felski A.: „Satelitarne systemy nawigacji i bezpieczeństwa żeglugi” Gdynia 1997
[3] Januszewski J.: „System GPS i inne systemy satelitarne w nawigacji morskiej”
Gdynia, 2004
[4] Januszewski J.: “Problemy eksploatacyjne system GPS w transporcie morskim”
Gdynia, 2008
[5] Specht C.: „System GPS”, Pelplin, 2007
[6] National Marine Electronics Association - NMEA 0183 - Standard For Interfacing
Marine Electronic Devices, version 2.30, 1998