GIS, GPS och handdatorer

En presentation över ämnet: "GIS, GPS och handdatorer"— Presentationens avskrift:

1 GIS, GPS och handdatorer
Simon Wetterlind Högskolan i Skövde

2 GIS, GPS och handdatorer
Huvudpunkter: Hur funkar GPS? GPS + GIS = Handdatorer Några möjligheter Prova själv! Bild från

3 Satellitpositionering
GNSS, Global Navigation Satellit System: GPS (USA) GLONASS (Ryssland/Sovjet) GALILEO (EU, 2008?)

4 GPS - bakgrund Navstar GPS Ursprungligen för amerikanskt militärt bruk
NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System Ursprungligen för amerikanskt militärt bruk Påbörjat 1973 Officiellt igång 1995

5 GPS 24 (27) satelliter i 6 olika banor 20 200 km höjd
Lat 55O N 24 (27) satelliter i 6 olika banor km höjd 11h 58 min omloppstid Satellitbanornas inklination 55 Lat 55O N Lat 55O S Ekvatorn Bildmaterial från

6 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

7 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

8 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 avståndet! Avstånd = s (x, y, z)

9 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

10 Position i 2 dimensioner med två satelliter
Uppmätt avstånd Två möjliga positioner!

11 Position i 2 dimensioner med tre satelliter
Uppmätt avstånd En möjlig position!

12 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

13 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

14 Satellitgeometri Bra satellitgeometri! (låg DOP)
Dålig satellitgeometri (hög DOP)

15 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)

16 Absolut mätning Kräver (minst) 4 satelliter Utrustning
en GPS-mottagare Noggrannhet ca 20 m

17 Användningsområden Fritidsbåtar Enklare navigering på land
Fordonslokalisering vid godstransport Etc

18 Störningar av GPS-signalen
SA Solaktivitet Atmosfärsstörningar Elektriska fält Radio- sändare Flervägsfel Bildmaterial Lantmännen PrecisionsSupport

19 Felkällor – GPS Felkälla GPS Noggrannhet Horisontell 20 (100)*
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

20 Med eller utan SA Horisontell avvikelse med SA den 1 maj 2000
Horisontell avvikelse utan SA den 3 maj 2000 All data kommer från SWEPOS stationer Onsala

21 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

22 Effekten av ett tidsfel
Beräknat avstånd Verkligt avstånd Feltriangel

23 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

24 Användningsområden Båtnavigering nära land, i hamnar, etc
Insamling av GIS-data Mätning av terrängmodeller Stommätning Etc

25 Lantmännen PrecisionsSupport
DGPS 1. GPS-satellit 2. Mark-station 3. Kaknäs-tornet 3 P3/P4-sändare 1 2 3 4 Bildmaterial Lantmännen PrecisionsSupport

26 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

27 DGPS Fördelar med DGPS Problem Enkel att använda Relativt billigt
Stort täckningsområde Okänslig för signalstörning Problem DGPS-täckningen Ev. abonnemangskostnad

28 Korrektionssignal via FM-sändare
1. GPS-satellit 2. Referens-station 3. Kaknäs-tornet 4. P3/P4-sändare 1 2 3 4 Bildmaterial PrecisionsSupport

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

30 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!

31 EGNOS täckningsområde

32 Fel med DGPS Felkälla DGPS GPS Noggrannhet Horisontell 1-2 20
Satellit klocka 1,5 Banfel 2,5 Jonosfär och troposfär 0,6 5,5 Störningar i mottagaren 0,3 Reflektion SA Noggrannhet Horisontell 1-2 20 Noggrannhet Vertikal 2-3 30

33 RTK – Real Time Kinematics
Bärvågsmätning (i realtid) RTK med tillfällig referens RTK med fast referens Nätverks-RTK

34 RTK med tillfällig referens-station
1 2 3

35 RTK med tillfällig referens-station
Fördelar Effektiv och snabb teknik Hög precision Nackdelar Etablera referensstationen kan vara tidsödande Begränsad räckvidd (ca 10 km) Stöldrisk

36 RTK med fast referens-station
1 2 3

37 RTK med fast referens-station
Fördelar Behöver ej etablera referensstation Hög driftsäkerhet Ingen stöldrisk Nackdelar Begränsad räckvidd (ca 10 km) Kräver underhåll

38 Nätverks-RTK, steg 1 GPS-satelliter Referens- station Rover
Central server

39 Nätverks-RTK, steg 2 Servern tar emot positionsdata från referens-
stationerna och från rovern.

40 Nätverks-RTK, steg 3 Servern räknar fram en virtuell referensstation (VRS) och sänder korrigerings- information som om den hade kommit från den virtuella stationen VRS

41 Nätverks-RTK i VG

42 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

43 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

44 Täckning med RTK RTK med enskilda stationer Nätverks-RTK
+ = Referensstation = Täckningsområde Bildmaterial från

45 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

46 Kodmätning Pseudo-slump-kod: 1 Signalen från GPS- satelliten 1
1 Signalen som genereras av GPS- mottagare Tidsskillnad Bildmaterial från

47 Att använda kodmätning
Fördelar Snabbt Billigt Okänslig för signalstörning Nackdelar Oexakt

48 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

49 Att använda bärvågsmätning
Fördelar Exaktare Nackdelar Känslig för signalstörningar Dyrare utrustning Tar tid (utom med RTK)

50 Vilket koordinatsystem?
WGS84 – Standard för GPS RT90 Lokalt system (för den egna kommunen) Konvertering kan vara nödvändig!

51 Noggrannhet kostar Olika metoder och förväntad noggrannhet:
Kostnad 400 kkr 2 kkr 10 m cm mm Noggrannhet Olika metoder och förväntad noggrannhet: Absolut positioning, C/A-code <10 m Absolut positioning, P-code < 5 m DGPS through beacon < 2 m DGPS with local reference < 0.5 m Relative carrier phase < 0.02 m Relative carrier phase with advanced estimation technique  mm-nivå Material från

52 Välj GPS efter behovet! Användning GPS DGPS EGNOS Abonnemang1 RTK
Mäta in en yta * ** *** Sprida gödning eller kalk efter styrfil b Hitta tillbaka till en inmätt punkt a Skördekartering Guidning 2 Autopilot 2 Detaljerad höjdmätning 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 Mats Söderström

53 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)

54 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)

55 GPS + handdator? GPS-mottagare saknar (oftast) GIS-möjligheter
Använda handdatorn som GPS-mottagare GIS-hjälpmedel/programvara GSM/radio-länk (t ex via bluetooth)

56 GPS + handdator + GIS På plats i fält!
Bakgrundsbild (karta/shapefil, flygfoto etc) Lagra geografiska data Lagra attributdata Visualisera geografiska data Granska data Ändra/editera data Andra (enklare) GIS-operationer På plats i fält!

57 Exempel på applikationsområden
Inom jordbruket Precisionsodling Inom turism Inom kulturmiljö Naturvård Parkförvaltning Brandkår/ambulans Etc

58 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

59 Lantmännen PrecisionsSupport
EM38 med DGPS Bildmaterial Lantmännen PrecisionsSupport

60 Turism Koordinatsätta turistattraktioner Mäta in vandringsleder
Hyra ut handdator + GPS med digital turistkarta

61 Tack till Mats Söderström Lantmännen PrecisionsSupport

62 Dags att prova på!