GPS - så funkar det! Thomas Hellström Thomas Hellström Institutionen för f r Datavetenskap Umeå universitet

Relevanta dokument
Innehåll. GPS - så funkar det! ndningsområdenden. Användningsomr. Olika format. Satellitnavigeringssystem. GPS: Global Positioning System

GPS. Robin Rikberg februari 2009

Global Positioning System GPS

Global Positionering System (GPS)

Bilaga 1: GPS-teknik, en liten ordlista

Global Positionering System (GPS)

Global Positioning System GPS i funktion

Introduktion till GNSS

GPS GPS. Classical navigation. A. Einstein. Global Positioning System Started in 1978 Operational in ETI Föreläsning 1

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av Föreläsning 3. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts.

RADIONAVIGERINGSSYSTEM

Forskning GNSS. Grundkonfigurationen av GPS består av 24 satelliter men idag cirkulerar närmare 30 satelliter runt jordklotet

Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 4: Kalmanfiltret & det slutna systemet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

MätKart 12 Luleå. Positionering och GPS utrustningar ProLocate KartSmart. Aris Kolovos

Framtida satellitsystem och signaler - fördelar och utmaningar

Satellit-navigering. GPS-tillämpningar

Grundläggande teori om GNSS

Kommunikation. Till sommarkursen Rymdteknik & Rymdfysik Uppsala, 2005 Av Petrus Hyvönen

Radio-ockultation med GNSS för atmosfärsmätningar

Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning. Johan Malmström 14 april 2003

Reglerteori. Föreläsning 4. Torkel Glad

Analys/syntes-kodning

Position Nokia N76-1

GPS-SYSTEMET. Vetenskapsmetodik, CDT212 Mälardalens Högskola, Västerås Magnus Andersson, CIDEV4

CHALMERS LINDHOLMEN Instuderingsuppgifter Nav-E sid 1 ( 5 )

Residualanalys. Finansiell statistik, vt-05. Normalfördelade? Normalfördelade? För modellen

Reglerteknik AK, FRT010

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

GPS del 2. Sadegh Jamali. kredit: Mohammad Bagherbandi, Stig-Göran Mårtensson, och Faramarz Nilfouroushan (HIG); Lars Ollvik och Sven Agardh (LTH)

performance by NEXUS NETWORK GPS Antenn Installation Manual

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 10 Relativitetsteori den 26 april 2012.

Trimtec.se - Auktoriserad Trimble dealer för hela Sverige

!"# $ $ $ % & ' $ $ ( ) *( + $', - &! # %. ( % / & ) 0

1. Situationer när korrigering är nödvändig

GPS del 2. Sadegh Jamali

Reglerteknik I: F10. Tillståndsåterkoppling med observatörer. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

STOCKHOLMS UNIVERSITET FYSIKUM

DIGITAL KOMMUNIKATION

ANN fk. Örjan Ekeberg. Framåtkopplade Nät. återkopplade nät. Olika arkitekturer. BackPropagation through Time. Kalman-Filter tekniker

Klubbledarpärm. 5. Spektrumövervakning vid större meeting och tävlingar. 6. Sändarinlämning vid större meeting och tävlingar

Tentamen i matematisk statistik

Information om ämnet Militärteknik med diagnostiskt självtest av förkunskaper till blivande studerande på Stabsutbildningen (SU)

En rät linje ett enkelt samband. En rät linje + slumpbrus. Observationspar (X i,y i ) MSG Staffan Nilsson, Chalmers 1.

Fysiska lagret. Kanal. Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus)

10. Relativitetsteori Tid och Längd

Enkel och multipel linjär regression

Vågrörelselära och optik

GNSS-mätning vid olika tidpunkter

GNSS-status och Galileoanvändning

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Guidning/Autostyrning

Ordinära differentialekvationer,

Realtidsuppdaterad fristation

EXEMPEL 1: ARTVARIATION FÖRELÄSNING 1. EEG frekvensanalys EXEMPEL 2: EEG

Lantmäteriets testmätningar med RTK och Galileo i SWEPOS fram till januari 2017

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 3 Lösningar

Föreläsning 13: Multipel Regression

Hemtenta 2 i Telekommunikation

Per-Ole Renlund VSV (Vaktstyrman vuxen), OH6HCQ Global Navigation Satellite System

Matematisk statistik 9 hp, HT-16 Föreläsning 10: Punktskattningar

Föreläsning 8, Matematisk statistik 7.5 hp för E Punktskattningar

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 12

Högskoleprovet Kvantitativ del

Stokastiska Processer och ARIMA. Patrik Zetterberg. 19 december 2012

Föreläsning 7. Felrättande koder

Framtidens fordon. Douglas Halse TE14A

2.1 Mikromodul: stokastiska processer

Klient/ supportnivå Minimum Medium Maximum Rådgivare kr/år kr/år kr/år kr/år. DataVäxt Mobile +800/år +800/år +800/år x

Hypotesprövning. Andrew Hooker. Division of Pharmacokinetics and Drug Therapy Department of Pharmaceutical Biosciences Uppsala University

Finns det över huvud taget anledning att förvänta sig något speciellt? Finns det en generell fördelning som beskriver en mätning?

Tekniska tillståndsvillkor för MHz. Tekniska tillståndsvillkor för frekvensbandet MHz (upplänksband och nedlänksband)

Ingenjörsmetodik IT & ME 2011 Föreläsning 11

Digital Runway Incursion Warning System DRIWS

Teknisk presentation av VDL Mode 4 för allmänflyg

Stokastiska processer med diskret tid

Avancerade integraler. Thomas Lingefjärd. Göteborgs universitet

Differentiell GPS för rörelsemätning av betongdammar

Optimal Signalbehandling Datorövning 1 och 2

Introduktion till statistik för statsvetare

5B1134 Matematik och modeller

Nödrop från Expedition C3: skicka fler tekniker!

MATTIAS MARKLUND GRUNDLÄGGANDE FYSIKFORSKNING OCH MILITÄRFORSKNING

Teknik kommande och förekommande

I once saw Einstein on a train which whistled past our station. - Your clock ticks much too slow, I yelled. - Ach, nein. That's time dilation


Föreläsning 15: Faktorförsök

1. Använda denna bruksanvisning

APV info. APV i relation till PBN (Performance Based Navigation)

Vad styr spridningen av luftföroreningar? Vilken meteorologi skall användas? Normalväder, typväder, medelväder, flexa år?

Härledning av Black-Littermans formel mha allmänna linjära modellen

Störning av GPS tidstjänst och dess inverkan

Undersökning av tjänster för differentiell GPS

EXAMENSARBETE. Totalstation jämförd med mmgps. David Olsson. Högskoleexamen Bygg och anläggning

Chapter 2: Random Variables

TSIU61: Reglerteknik. Regulatorsyntes mha bodediagram (1/4) Känslighet Robusthet. Sammanfattning av föreläsning 7

Metodbeskrivning RUFRIS

Koordinatsystem och transformationer. Tina Kempe Lantmäteriet Informationsförsörjning geodesi tel

GPS Antenn - Givare - Svensk English

Tid- och frekvensmätning - inför laborationen 2 - Ola Jakobsson Johan Gran

Transkript:

GPS - så funkar det! Thomas Hellström Institutionen för f r Datavetenskap Umeå universitet 1

Innehåll Inledning Hur det funkar: triangulering? Felkällor llor Förbättrade varianter Prestanda Kombination med INS Kalmanfilter Några projekt med GPS 2

Olika format Levererar positionen för f r en rörlig rlig mottagare: Latitud, Longitud, Altitud Hastighet och rörelser relse- riktning kan beräknas 3

Användningsomr ndningsområdenden Lokalisering Var befinner jag mig? Navigering Hur förflyttar jag mellan två platser Tracking Hur rör sig människor och saker? Kartor Rita kartor Tidsmätning Exakt tidbas utan atomur 4

Satellitnavigeringssystem GPS: världsdominerande 19 miljarder USD. Fel: 15 meter. GLONASS (10 satelliter) Galileo: civilt, europeiskt 26 miljarder kr. Fel: 5 meter. 5

GPS: Global Positioning System Framställt och ägs av USA:s försvarsmaktf 27 satelliter och 5 monitorstationer Ca. 20 200km över jordytan. 12 timmars omloppstid Beroende påp typ av GPS är r felet (95%) mellan 15 meter och 20mm 6

Triangulering (trilaterering) Radiosignaler skickas från n satelliten till mottagare påp marken påp två kanaler Mät t löptiden l från satelliterna till GPS-mottagaren Triangulering (trilaterering)) ger positionen? 7

1: Löptid L Δt Satelliten skickar Pseudo Random Codes PRC Unik för varje satellit Svår att störa Löptiden ~67ms (från n jordytan) Mottagaren genererar samma PRC samtidigt Vi förutsf rutsätter tter synkroniserade klockor (så länge) Flytta i sidled tills PRC matchar i alla positioner: T Δt Δt Mottagen PRC genererad i satelliten vid tidpunkten T PRC genererad i mottagaren vid tidpunkten T 8

2: Avstånd s till satellit Beräkna avstånden till satelliterna m.h.a. löptiden satellit-mottagare: s=v Δt Förutsätter konstant ljushastighet v? 9

3: Triangulering s 1 =20100: Vi befinner oss någonstans n påp en sfär s 2 =20200: Vi befinner oss någonstans n påp en cirkel s 1 = 20200 s 2 = 20100 s 3 =20200: Vi befinner oss i en av två möjliga punkter En av dessa är r oftast orimlig Minst tre satelliter krävs! Av de 24 som är r uppskjutna syns alltid minst 5 från n varje plats påp jorden. Man måste veta exakt position för alla satelliter! s 3 = 20100 10

Förstärkning rkning av PRC Brusnivån är r extremt högh Dela upp i segment ( (chipping) Matcha bit för f r bit i PRC mot segmentet. 50% korrekt om signalen är r rent brus. Om segmentet innehåller samma bitmönster som PRC ökar sannolikheten för f r matchning Genom att upprepa matchningen 100 eller 1000 ggr. fås s ett stabilt mått; m man har förstf rstärkt rkt signalen Vi slipper parabolantenner påp GPS-mottagarna! 11

Felkällor llor Mottagaren är r inte synkroniserad med satellitens atom-ur Uppskattningen av satellitens position Ljushastigheten är r bara konstant i vakum Multi path errors : Spöksignaler från n studsande radiovågor Selective availability (SA) :Medvetna störningar från DoD Ej fri sikt till tillräckligt många m satelliter Brus i mottagaren 12

Eliminering av klockfel Förenklad bild i 2 dimensioner Beräknade avstånd Korrekta avstånd Mottagaren är r inte synkroniserad med satellitens atom-ur Pga klockfelen ε rc mäter vi inte sann distans s utan pseudo range s : Δs s - s= v ε rc Alla satelliter ger samma offset Δs Δs Med en 4:e satellit (i 3D) kan man räkna baklänges och beräkna ε rc Kvarstående fel kan elimineras med DGPS 13

3: Triangulering matematiskt Fyra satelliter för kompensation för klockfel ε rc i mottagaren: (x 1,y 1,z 1 ) (x 2,y 2,z 2 ) (x 1 -x) 2 + (y 1 -y) 2 + (z 1 -z) 2 = (s 1 -vε rc ) 2 (x 2 -x) 2 + (y 2 -y) 2 + (z 2 -z) 2 = (s 2 -vε rc ) 2 (x 3 -x) 2 + (y 3 -y) 2 + (z 3 -z) 2 = (s 3 -vε rc ) 2 (x 4 -x) 2 + (y 4 -y) 2 + (z 4 -z) 2 = (s 4 -vε rc ) 2 Fyra obekanta: (x,y,z, ε rc ) (x,y,z) Fler än fyra satelliter: s 1 s 2 s 3 (x 3,y 3,z 3 ) Överbestämt system för (x,y,z, ε rc ) (x 4,y 4,z 4 ) Högre noggrannhet s 4 14

Exakt var är r satelliten? För r att beräkna GPS-mottagarens position (x,y,z) krävs att satelliternas positioner (x i,y i,z i ) är r korrekt angivna Satelliterna går g r i nästan n perfekta banor som dock har sk. Ephemeris errors orsakade av bl.a. solvind och sol/mångravitation 15

Exakt där d är r satelliten! Monitorstationerna observerar hela tiden satellitbanorna med radar Korrektionstermer skickas till satelliterna Satelliterna skickar sina uppdaterade ban- parametrar till alla GPS-mottagares almanac Kvarvarande fel kan elimineras m.h.a. DGPS? 16

Fel ljushastighet Nominellt 300 000 km/sek. i vakum Korrigeringsmetoder: Modeller av troposfären ren och jonosfären Dual frequency receivers : Låga frekvenser påverkas p mer än n höga h frekvenser. DGPS Troposfären 0-50km Satellitbana 20 200 km Jonosfären 50-250km 17

Multi path errors Signalen studsar mot föremf remål; byggnader, broar, vatten, fordon Störningen gör g r att mottagaren ibland använder nder en felaktig och längre distans. Försök k till lösningar: l Beakta bara den första signalen Diverse signalbehandling Svårt problem även med sofistikerad hårdh rd- och mjukvara? 18

Selective availability (SA) Ett medvetet fel som lades påp tidssignaler och banparametrar Infört för f r att ge DoD ett försprf rsprång Gav ungefär r 100 meter brus (95%) Borttaget av Bill Clinton 1 Maj 2000 (på obestämd tid) 19

Effekten av SA (National Imagery and Mapping Agency) 20

"Geometric Dilution of Precision" Satellitgeometrin påverkar p beräkningsfelet Stora vinklar mellan satelliterna ger små fel: Bra geometri: Osäkerhet för tid eller distans Osäkerhet för position Dålig geometri: 21

Differential-GPS (DGPS) Eliminerar eller minskar klockfel, banfel (ephemeris errors) ) och jonosfärseffekter Felet minskar ner till 0.5 meter! Idé: : Felen är r ungefär r samma för f r två mottagare som ligger nära n varandra Placera en fast mottagare på en väldefinerad plats Beräkna felet i dess positionsangivelse från satelliterna Räkna baklänges för att finna tidsfelet Skicka det över radio till andra mottagare 22

Differential-GPS (DGPS) Tidsfelet (och dess derivata) beräknas för r ALLA satelliter: Satellit 1 fördrf rdröjning 4.6ns Satellit 4 fördrf rdröjning 3.5ns. Tabellen med felkorrektioner skickas via (radio)länken till GPS-mottagaren Standard: RTCM SC104 23

Differential-GPS (DGPS) Olika typer av DGPS: Nationella tjänster med referensstationer Lokalt med två GPS-mottagare och radiolänk. Avstånd <50km. Felet ökar ca 30cm/100km Internet? Radiolänk 24

Nationella DGPS-tj tjänster EPOS (Teracom) RDS påp P3, P4. Stereomottagning krävs. 12 referensstationer. 6000kr/år Ominstar (Fugro)) En till satellit. Dåliga D vinklar i norr 11500kr/år Mobipos (Generic Mobile) DARC påp P3. 12 referensstationer. 1200kr/år. r. Sjöfartsverket. LångvL ngvågsradio. gsradio. (8meter eller 1meter fel beroende påp mottagarkvaliteten) LuLIS (försvarsmakten) EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay) 25

Dataformat Satelliterna sänder s påp två frekvenser L1 och L2: L1: bärvåg 1575.42 MHz. Bithastighet: 1MHz. Statusmeddelanden och PRC för tidmätning: C/A eller Course Acquisition code. Repetitionscykel: 1023 bitar. L2: bärvåg 1227.60 MHz. Bithastighet: 10MHz. Mer exakt militär PRC för tidmätning: P-code. Kan vara kodad (Y-code) Repetitionscykel: 7 dygn. 26

Vanlig GPS ( GPS (Code-Phase) Matchande pseudokoder kan skilja sig en bitlängd (f~1mhz, T=1μsec sec, λ~300m) Code-Phase Phase-matchning sker påp sub-bitniv bitnivå,, men 3-66 meter fel kvarstår Precision 95%: ~15 meter Mottagen PRC 1μsec Genererad PRC 27

Bärvågsmätning tning (Carrier-Phase) Mottagen PRC Bärvåg (Carrier) Genererad PRC Bärvåg Matchar fasen även påp bärvågen (f=1.57ghz, λ~20cm) Kräver startup-tid: tid: 1 min Real-time Kinematic Carrier-Phase (RTK) ) : ~20mm 95% 28

INS (Inertial( Navigation Systems) En variant av Död räkning för r att mäta m position och vridning i rummet (3+3 variabler) Används nds i flygplan, missiler, ubåtar sedan 50-talet. 1. F mäts med 3 accelerometrar F 2. F = m a y F 3. Beräknar förflyttning f genom att x m integrera a två gånger y z F z 4. Mäter rotation genom att summera gyrovridningar x 29

INS (Inertial( Navigation Systems) Gimbaled system Strapdown INS Illustration: Greg Welsh University of North Carolina at Chapel Hill, Eric Foxlin InterSense 30

Kombination av GPS och INS INS: Lågt brus (arbetar utan kontakt med omvärlden) Hög drift (det systematiska felet ökar utan gräns med tiden) GPS: Högt brus: - Om satelliterna är skymda - Vid Multi path errors - Om troposfären är svårmodellerad Låg drift (begränsat systematiskt fel) Kombination av GPS/INS kan ge låg drift och lågt brus! 31

Kalmanfilter Hur får man nogrann data ur onogrann data? Glidande medelvärde? Andra typer av filter? KALMAN!!! Kalmanfiltret är den teoretiskt bästa metoden! Förutsatt att... Intuitiv idé: Skatta bruset i de uppmätta signalerna Använd den data som har lägst brus, eller ännu hellre: Använd ett viktat medelvärde! 32

Kalmanfilter Begrepp: Tillstånd (state) x : De variabler som beskriver systemets tillstånd Ex: Ett fordon som rör sig och påverkas av en framåtverkande kraft (gaspådrag) beskrivs av dess position, hastighet och acceleration. Tillståndsvektorn x=(p, s, a ) T Mätning z : Vi kan normalt bara mäta en avbild z av tillståndsvariablerna. Ex: Vi kan bara mäta den brusiga positionen p I matrisform: Exempel: z k 1 0 0 p σ p = 0 0 0 s + 0 0 0 0 a 0 33

Kalmanfilter Mätmodell: Vilket är sambandet mellan tillståndsvariablerna x och det mätta z?: z = Hx + v Problemformulering: Vad är den bästa skattningen av x k givet mätningar z 1,..., z k Vi behöver veta mera: System-modell: Hur förändras tillståndsvariablerna x från tid k-1 till k (tidsteg T)? x k k k = Axk 1 + Buk + wk 1 k Exempel: x k = Antaganden: Linjärt system (definerat av A, B, H) Bruset w och v antas vara normalfördelat vitt brus med medelvärde 0: p s a p(w) ~ N(0,Q) p(v) ~ N(0,R) k k k 1 = 0 0 Δt 1 α 2 Δt / 2 p Δt s 1 a k 1 k 1 k 1 0 + 0 σ a 34

Kalmanfilter Antagandena innebär att bruset v och w karaktäriseras helt av kovariansmatriserna Rudolph Kalman 1960: härledde en OPTIMAL skattning av x k+1 Skattningen är rekursiv; jfr glidande medelvärde kontra summering av alla z 1,..., z k Kalmanfilter används för allt som rör sig: - Allt flygande: flygplan, missiler, satelliter, - Hydrologi - Sensor fusion - Ekonomi och finans - Datorgrafik 35

Varje tidssteg i Kalmanfiltret 1. 2. Time Update ( Predict ): x k P k = = Ax AP k 1 k 1 + A T Bu k + Q Error covariance E[(x(t) x(t)) (x(t) x(t)) T )]. Kalman minimerar P i minstakvadrat-mening 3. 4. 5. Measurement Update ( Correct ): K x P k k k = = = P H k T ( T HP H + R) xk + Kk ( zk Hxk ) ( I K k H ) P k k 1 mätning Systemdefinitionen: A, B, H Bruskovarianser: Q, R Kalman gain K uppdateras i varje steg och anger trovärdigheten hos de uppmätta z. State estimates estimerad mätning 36

Kombination av GPS, gyro och kompass 37

Autonom navigering av skogsmaskiner GPS/GLONASS from Javad ~ 50.000 USD GLONASS has better coverage at high latitudes (55 versus 64.8 inclination) Three RTK units: a base station and two mobile units Gives accuacy <5 cm IFF the horizon is clear (RTK) Otherwise as bad/good as an ordinary DGPS (~0.5 meter) The second receiver gives heading DGPS base station 38

GPS art http://www.charternavgps.ie/ 39

Ancient Peruvian Drawings: biomorphs Made around 200 BC 37 miles long GPS art not new? Can only be seen by airplane Why were they made? We don t know http://www.unmuseum.org/nazca.htm 40

Why is GPS art important? The technology allows for us to identify new aspects of our journeys. ~ Jeremy Wood Koichi Mori 41

Heart Rate GPS image Koichi Mori 42

Referenser Tillverkare: www.trimble.com www.novatel novatel.com www.ashtech ashtech.comcom www.garmin.com www.furuno.com www.leica-gps.com www.raymarine.com www.jcair.com Information: www.mercat mercat.com/quest/ /QUEST/HowWorks.htm www.trimble.com/gps/ http://www.mercat.com/quest/gpstutor.htm http://www.topconps.com/gpstutorial/toc.html http://www.aero.org/publications/gpsprimer/ Positioning Systems in Intelligent Transportation Systems, Chris Drane,, Chris Rizos,, 1998. http://www.newlandgeographic.com KALMAN: http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/ http://www.cs.unc.edu/~tracker/media/pdf/siggraph2001_coursepack_08.pdf _08.pdf 43