GPS Hata Kaynakları GPS hataları, gürültü (noise; karışıklık, tesadüfi hata), sapma (bias; kayıklık) ve kaba hatanın (blunder) bir tertibinden oluşur.

Transkript

1 GPS Hata Kaynakları GPS hataları, gürültü (noise; karışıklık, tesadüfi hata), sapma (bias; kayıklık) ve kaba hatanın (blunder) bir tertibinden oluşur.

2 GPS Hata Kaynakları Gürültü hatası, PRN kod gürültüsü (yaklaşık 1m kadar) ve alıcı gürültüsünün (yaklaşık 1m kadar) birleşimi olan bir etkidir. Sapma hataları, Seçimli Doğruluk Erişimi (SA) ve diğer etkenlerden ortaya çıkar Km 200 Km Iyonosfer 50 Km Troposfer

3 GPS Hata Kaynakları

4 GPS Hata Kaynakları Diğer sapma hatası kaynakları; Ana kontrol merkezince düzeltilemeyen uydu saat hataları 1m civarında konum hatası verir. Efemeris veri hatası verir. 1m civarında konum hatası Troposferik gecikme 1m civarında konum hatası verir. Troposfer tabakası yerden 8-13 km kalınlığında, hava değişimiyle birlikte su buharı, sıcaklık ve basınçtaki değişimlerin yaşandığı atmosfer tabakası. Troposferik gecikmenin karışık modelleri bu parametrelerin tahmini veya ölçülmesini gerektirir.

5 GPS Hata Kaynakları Diğer sapma hatası kaynakları; Modellenemeyen iyonosferik gecikme 1om civarında konum hatası verir. İyonosfer atmosfer içinde 50 ile 500 km arasında iyonize olmuş katmandır. Navigasyon mesajı ile iletilen iyonosferik model katsayıları ile oluşturulan model, modellenmeyen 10 m lik hatadan kalan geçikmenin tahmini 70 ns nin yarısını elimine edebilir. Sinyal yansıma hatası (Mutlipath) 0.5m civarında konum hatası verir. GPS sinyalleri, sinyal yolu boyunca bir doğru şeklinde alıcıya gelmesi gerekirken alıcının yakın çevresinden yansıyan sinyallerin sebep olduğu bir hatadır. Bu hatayı tespit etmek ve bazen sakınmak zordur.

6 GPS Hata Kaynakları Kaba hatalar yüzlerce kilometrelik bir dere ulaşabilir. GPS kontrol bölümü bilgisayar veya insan kaynaklı hata nedeniyle bir ile yüzlerce kilometrelik hata yapabilir. Yanlış jeodezik datum seçimi gibi kullanıcı hataları, bir ile yüzlerce kilometrelik hatalar sebebiyet verebilir. Yazılım ve donanım hatalarından kaynaklanan alıcı hataları kaba hataya sebebiyet verebilir. Gürültü ve sapma hatalarının bileşkesi konum çözümünde kullanılan her bir uydu için genelde 15 metre civarında hataya sebep olur.

7 Uydudan Kaynaklanan Hatalar Uydu yörünge y hatası Uydu saat hatası Seçimli doğruluk erişimi imi (Selective( Availability,, SA) Alıcıdan Kaynaklanan Hatalar Alıcı saat hatası Anten faz merkezi değişimi imi Alıcı frekans gürültg ltüsü Sinyal Yayılımına Bağlı Hatalar İyonosfer ve Troposfer Etkileri Sinyal yansımalar maları (multipath) Faz sıçramalars ramaları (cycle slip)

8 Uydu Yörünge Y Hatası Uydu yörünge y bilgisi izleme istasyonlarınca nca toplanan izleme verilerinden üretilir. Ana kontrol istasyonu izleme verisini işler ve diğer üç izleme istasyonuna göndererek g navigasyon mesajının n her bir uyduya yüklenmesini y bu üç istasyon aracılığı ığıyla sağlar. Aslında tam olarak uydu yörüngesini y modellemek imkansızd zdır. Bu nedenle ana kontrol istasyonunca hesaplanan uydu yörünge y bilgisi uydunun gerçek ek konumundan farklıdır. r. İşte bu ayrılığ ığa a uydu yörünge y hatası denir. Uydu yörüngesinde y meydana gelen sapmalar üç bileşene ene sahiptir: 1. Radyal bileşen en 2. Yörünge boyu bileşeni eni 3. Yörüngeye dik bileşen en

9 Uydu Yörünge Y Hatası Yörünge hatasının n noktasal konum belirlemedeki etkisi ise: (YH: yörünge y hatası) Nokta Konum Hatası = PDOP x YH Yörünge hatasının n bağı ğıl l konum belirlemedeki etkisi ise: (d: baz uzunluğu) u) Baz hatası = d / x YH, Baz uzunluğu arttıkça yörünge hatasının etkisi de oransal olarak artacaktır. Yayın efemerisi (broadcast ephemeris) yerine IGS den elde edilen hassas GPS yörüngeleri (precise ephemeris, sp3 uzantılı dosya) kullanılarak uydu yörünge hatası azaltılabilir.

10 Uydu Saat Hatası Uydu saat hatası uydu saat zamanı ile GPS zamanı arasındaki farktır. r. Her uydu saatinin davranışı ışının izlenmesinde en iyi çaba gösterilse g bile dünyand nyanın n manyetik alanı,, yerin ve ayın çekim etkisi, radyasyon vb sebeplerden dolayı saatlerin davranışı duyarlı bir şekilde modellenememektedir. Uydu saat hatası eş zamanlı olarak aynı uyduları izleyen iki alıcı için in aynı olacağı prensibinden yararlanarak bağı ğıl l konum belirlemede uydu saat hatası iki alıcıdan elde edilen ölçülerin farkları alınarak (double( differences) ) elimine edilir.

11 Seçimli Doğruluk Erişimi imi (SA, Selective Availability) SA etkisi, zaman değişkenli bir sapma aracılığıyla SPS (Standart Positioning Service) sinyallerinin maksatlı bozulmasıdır. Uydu konum bilgilerinin ve/veya uydu saatlerinin kasıtlı olarak bozulmaları biçiminde, epsilon ve dither teknikleri uygulanması şeklinde tanımlanır. USA savunma bakanlığınca askeri ve belirli sivil kullanıcılar için doğruluğu sınırlanarak kontrol edilir. C/A kodun olası doğruluğu 30 m civarında iken SA etkisi ile birlikte C/A kodun doğruluğu 100 metreye iner (standart sapmanın iki katı büyüklüğünde).

12 Seçimli Doğruluk Erişimi (SA, Selective Availability) SA sapması her uydu sinyalinde farklıdır. Bu nedenle sonuç konum çözümü navigasyon çözümünde kullanılan her bir uydunun SA sapmasının bileşke fonksiyonudur. SA birkaç saatten ziyade düşük frekanslı süreyle değişen sapma olduğu için birkaç saatden daha kısa zaman aralıklarında konum çözümleri veya bireysel uydu sahte mesafeleri fiilen ortalama bir sonuç olamaz. Fark alma düzeltmeleri (Differential corrections) SA nin (veya diğer sapma hatalarının) korelasyon süresinden daha az bir sürede yenilenmelidir (güncellenmelidir.) Bu hatanın tamamına yakını DGPS (Differential Global Positioning System) yöntemi ile giderilmesinden dolayı 1 Mayıs 2000 de kaldırıldı.

13 Alıcı Saat Hatası Alıcı saat hatası alıcı saat zamanı ile gerçek ek GPS zamanı arasındaki farktır. r. GPS alıcılar ları uyduların n saatlerine göre g çok daha ucuz saatler ile donatıld ldığından uydu saat hatasına kıyasla alıcı saat hatası çok daha büyüktb ktür. Alıcı saat hatası eş zamanlı olarak aynı alıcıda yapılan tüm t ölçüler için i in aynı olacağı prensibinden yararlanarak bağı ğıl l konum belirlemede alıcı saat hatası aynı alıcıdan elde edilen ölçülerin farkları alınarak elimine edilir, yani ikili fark (double( difference) ölçüleri hesaplanarak uydu-al alıcı saat hataları elimine edilir.

14 Anten Faz Merkezi Değişimi imi GPS ile konum belirlemede, GPS alıcılarıyla alınan ölçülerin uydu ileticisinin elektriksel merkezi ile alıcı antenin elektriksel merkezi arasındaki uzaklık olduğundan söz edilebilir. Elektriksel merkezi ile fiziksel merkezi arasındaki farka faz merkezi değişimi denir. Elektriksel merkez gelen sinyalin gücünü ve yönünü değiştirmeye çalışır. Bununla birlikte, L1 ve L2 taşıyıcıları için faz merkezi değişimleri farklı özelliklere sahiptir. Pek çok anten tipi için anten faz merkezi değişimi üreticiler tarafından ayarlanır. Çeşitli antenler için anten faz merkezi modelleri NGS de (National Geodetic Survey) elde edilebilir. Bu merkez tarafından geliştirilmiş anten dosyaları mevcuttur. Bu modeller anten faz değişimlerini azaltmak için uygulanabilir ( Yüksek duyarlıklı uygulamalarda farklı anten tipleri kullanılmaması veya ölçü anında istasyonlar ile alıcılar arasında antenlerin karşılıklı değişimi yapmak gerekir

15 Örnek anten faz merkezi bilgiler,

16 Faz merkezi değişimi imi ve anten testi

17 Alıcı Frekans GürültG ltüsü Alıcı gürültüsünün büyüklüğü sinyal gürültü oranı (signal to noise ratio; SNR) ve izleme bant genişliğine bağlıdır. Klasik alıcılarda esas kurala göre ölçme gürültüsü sinyal dalga boyunun yaklaşık %1 olmalıdır. Bu nedenle kod uzunluk ölçmelerinde C/A kod için gürültü seviyesi 3 metre (~300 m dalga boyu), P-kod için 0.3 metre (~30 m dalga boyu) kadardır. Buna karşılık taşıyıcı faz gürültü seviyesi L1 (~19 cm dalga boyu) ve L2 (~24 cm dalga boyu) için birkaç milimetredir. Modern alıcı teknolojisi iç faz gürültüsünü 1 mm aşağısına getirmeye ve C/A kod gürültüsünü desimetre seviyesine indirmeye çalışmaktadır

18 İyonosfer Etkisi İyonosfer tabakası yer yüzeyinden itibaren atmosferin 50.km den km sine kadar olan tabakadır. Bu tabakadaki serbest elektronlar yüzünden GPS sinyalleri bu bölgeyi tam ışık hızında geçemez. Sonuçta ölçülen kod uzunluk ölçüsü olması gerekenden daha uzun buna karşılık ölçülen faz ölçüsü olması gerekenden daha kısadır. İyonosferdeki gecikme sinyal yolu boyunca iyonosferdeki toplam elektron miktarına (Total Electron Content, TEC) bağlı olup metreküpteki elektron sayısının fonksiyonu olarak hesaplanır. TEC zamana, sezona, enleme ve büyük ölçüde güneş hareketlerine ve manyetik alan bağlı olarak hızlı bir değişim gösterir. Bu etkinin aşırı olduğu durumlarda alıcının başucu doğrultusunda gelen sinyal 50 m kadar, alıcının yatayında gelen sinyal ise 150 m kadar bir gecikmeye sebep olur (Satirapod, 2002). Bu etki dikkate alınmazsa hesaplanan baz uzunlukları gerçek değerinden kısa olacaktır.

19 Güneş leke hareketleri grafiği

20 İyonosfer Etkisi İyonosfer etkisinin giderilme yolları 1. Navigasyon mesajı ile iletilen temel yayın efemerisi iyonosfer modeli genellikle tek frekanslı alıcılarda oluşan etkiyi azaltmak için kullanılır. Bu katsayılarla oluşturulan modellere göre orta enlem kuşaklarındaki iyonosferik etkinin yaklaşık %50 si giderilebilmektedir. 2. Farklı frekanstaki dalgaların farklı dirençle karşılaşacağı gerçeğinden hareket ederek iyonosferik gecikmeler modellendirilir. Uzun bazların hesabında bahsedilen modelleme için çift frekanslı alıcı kullanılmalıdır. Bu modelleme için veri işleme aşamasında iyonosferden bağımsız (ionosphere-free) kombinasyon (L3) oluşturulur ve kullanılır. 3. Küresel ve bölgesel (Global ve regional) iyonosferik modeller kullanılır. Ör: gps haftası 0. gün için iyonosferik model ftp://ftp.unibe.ch/aiub/code/2010/cod15760.ion.z

21 Troposfer Etkisi Troposfer tabakası yer yüzeyinden itibaren atmosferin 50.km ye kadar olan tabakadır. Bu tabaka radyo frekanslarını dağıtıcı bir özelliğe sahip değildir. Bu nedenle troposfer tabakasında radyo dalgalarının yayılması frekans bağımlı olmayıp faz ve kod uzunluk ölçülerine etkisi aynıdır. Troposferik gecikme alıcının rakımı ve uydu yükseklik açısının bir fonksiyonudur. Bu gecikme atmosferik basınç, sıcaklık ve su buharı oranına bağlıdır. Troposferik gecikme alıcının başucu doğrultusunda gelen sinyallerde yaklaşık 2m kadar, alıcının 10 derecelik yükseklik engel açısında gelen sinyal ise 20 m kadar bir gecikmeye sebep olur.

22 Troposfer Etkisi Troposferden dolayı sinyal kırılmasının iki bileşeni vardır. Biri kuru bileşen diğeri de ıslak bileşendir. Islak bileşendeki yüksek değişimden dolayı bu bileşeni modellemek zordur. Standart modeller toplam gecikmenin %90 nını hesaplayabilir. İyonosferik gecikmeye benzer şekilde kısa bazlarda iki alıcı ile yapılan ölçüler arasında fark modellendirilerek büyük ölçüde elenebilir. Yüksek duyarlı statik uygulamalarda, ölçülerdeki troposferik gecikme hatası baz işleme aşamasında ilave bilinmeyen parametre olarak alınabilir.

23 Troposfer Etkisi Troposferik Etkiyi azaltmak için 1. Troposferik gecikmeyi tahmin etmek amacıyla pek çok standart troposfer model (tropospheric mapping functions) kullanılabilir (Hopfiled, Saastamoinen, Black, Neil vb.). Troposferik modellerin kullanılmasıyla elde edilen troposferik gecikme değerleri ölçülere düzeltme olarak getirilmektedir. Burada amaçlanan, üretilen ve veri işlemede kullanılan modellerin gerçekçi gecikme değerleri üretebilmesidir. Ancak, uygulamada bu durum geçerli olamayabilmektedir. Bu konudaki temel sorun troposferin ya da bütün olarak atmosferin doğasının tam olarak anlaşılamamış olmasıdır. 2. Troposferin ufka doğru kırıcı etkisi ve uydu sinyalini geciktirmesi arttığından yükseklik açısı üzerinde uydulara gözlem yapılmalıdır.

24 Sinyal Yansıma Hatası (Multipath) Sinyal yansımaları (multipath) yakındaki yansıtıcı yüzeylerin sebep olduğu bir hatadır. GPS ölçüsü sırasında doğrudan uydudan gelen sinyallerin alıcıya ulaşması istenir fakat yakın çevredeki ağaçlar, binalar, yer, su yüzeyleri, araçlar gibi yansıtıcı yüzeylerden alıcıya gelen dolaylı sinyaller bozucu etki yaparlar. Teorikte kod uzunluk ölçüsünde maksimum yansıma hatası yaklaşık kodun bir yonga (chip) uzunluğundadır (ki bu da C/A kodu için 300 m, P-kodu için yaklaşık 30 m dir ). Buna karşılık taşyıcı faz ölçüsünde maksimum yansıma hatası dalga boyunun çeyreği kadardır (ki buda L1 taşıyıcı faz ölçüsü için 5 cm, L2 taşıyıcı faz ölçüsü için 6 cm kadardır).

25 Sinyal Yansıma Hatası (Multipath) Yansıma etkisinin giderilmesi, her noktada farklı geometri ve çevre şartları söz konusu olacağından her zaman mümkün değildir. Fark alma yöntemleri kullanarak bu etki giderilemez. Etkinin giderilebilmesi için 1. En kolay ve etkin yol, alıcının çok yakınında yansıtıcı yüzeylerin olmamasına dikkat etmek ve çok uzun süreli ölçü yapmaktır. 2. Bir başka yol ise yansıma sonucu sinyal dağılım etkisini içinde sayısal olarak filtreleme yapan alıcı kullanmak ve yansıyan dalgayı emen özel anten tipleri ground planes, chokering anten kullanmaktır. 3. Uydulara belirli bir yükseklik açısının üzerinde (en az ) gözlem yapmak yansıma etkisini azaltır

26 Faz SıçramasS raması Faz sıçramaları (cycle slip) uydu sinyalinin izlediği yol ile alet arasında bir engel bulunduğunda sinyal alete ulaşmaz böylece kesinti boyunca yapılan faz ölçüleri de doğru olmayan tesadüfi değerler olur. Uydunun hareketinden dolayı. nokta-uydu arasındaki görüş tekrar sağlanır veya sinyalin alete ulaşmasını engelleyen faktör ortadan kalkar ise ölçme işlemi tekrar normal hale dönüşür. Bununla birlikte, engel öncesi ölçülerdeki tam dalga sayısı ile engelin kalkması sonucu yapılan ölçülerdeki tam dalga sayısı birbirleriyle uyuşmazlar. Her iki konumdaki tam dalga sayıları arasındaki farka faz sıçramaları adı verilir. Faz sıçramalarının belirlenme stratejisi, giderilmesi GPS ölçüleri veri işleme programlarının en önemli kısımlarından birini oluşturur. Faz sıçramaları, yansıma etkisi ve alet hatasından kaynaklanabilir Faz sıçramalarının giderilmesi bilimsel amaçlı uzun bazlara ait GPS ölçülerinin değerlendirilmesinde çok yoğun çaba, ayrıntılı bilgi ve deneyim gerektirmektedir. Ancak pratik amaçlı konumlama için (20km yi geçmeyen kısa bazlarda) bu sorun mevcut yazılımlarda tamamen otomatik olarak kullanıcıya yük getirmeksizin çözülmüştür

27 Faz SıçramasS raması Te,, sinyalin kesildiği i an Uydu ve alıcı saat hataları elimine edildiğinde inde faz sıçramass ramasını düzletmek kolaydır. Çift frekanslı datada faz sıçramasını düzeltmek tek frekanslı datadan daha kolaydır. Statik ölçümde faz sıçramass ramasını düzeltmek kinematik ölçüye göre g daha kolaydır. Anlık k (real( real-time) ölçünü hesabında faz sıçramass raması düzeltmek sonradan bilgisayar ortamında hesap yaparken düzeltmeden daha zordur.