GIS, GPS och handdatorer Simon Wetterlind Högskolan i Skövde

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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)

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

Användningsområden Fritidsbåtar Enklare navigering på land Fordonslokalisering vid godstransport Etc

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

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 2000-05-02

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

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

Effekten av ett tidsfel Beräknat avstånd Verkligt avstånd Feltriangel

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

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

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

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

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

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

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

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!

EGNOS täckningsområde

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

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

RTK med tillfällig referens-station 1 2 3

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

RTK med fast referens-station 1 2 3

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

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

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

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

Nätverks-RTK i VG

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

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

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

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

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

Att använda kodmätning Fördelar Snabbt Billigt Okänslig för signalstörning Nackdelar Oexakt

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

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

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

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

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 2004 Mats Söderström

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)

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)

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

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!

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

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

Lantmännen PrecisionsSupport EM38 med DGPS Bildmaterial Lantmännen PrecisionsSupport

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

Tack till Mats Söderström Lantmännen PrecisionsSupport

Dags att prova på!