HASSAS MUTLAK KONUMLAMA TEKNİĞİ (PPP) İLE AĞ RTK KONUMLAMA TEKNİĞİNDEN ELDE EDİLEN YÜKSEKLİK BİLEŞENİNİN DOĞRULUK KARŞILAŞTIRMASI M.O. SELBESOĞLU 1, K. GÜMÜŞ 2 1 Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye oguzs@yildiz.edu.tr 2 Niğde Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Niğde, Türkiye kgumus@nigde.edu.tr Özet GNSS sistemleri, gelişen Network-RTK tasarımları ve GNSS referans istasyonları ile jeodezik ve mühendislik amaçlı birçok uygulama alanında yaygın olarak günümüzde kullanılmaktadır. GNSS sistemi tarafından sağlanan yükseklik bileşeninin doğruluğu özellikle gerçek zamanlı deformasyon izleme sistemleri için önemlidir. Son yıllarda, PPP metodu, gerçek zamanlı ve yüksek doğruluklu konumlandırma uygulamaları için önemli bir yöntem haline gelmiştir. Yakınsama süresinden sonra, noktaların koordinatları bir cm'lik doğruluk içinde elde edilebilir. Çalışmada, PPP yönteminden ve Ağ RTK yöntemlerinden elde edilen yükseklik bileşeninin doğruluğu araştırılmıştır. Bu amaçla, Yıldız Teknik Üniversitesi Davutpaşa Kampüsü'nde beş referans noktasından oluşan bir ağ kurulmuştur. Hassas geometrik nivelman ile yükseklikler elde edilmiş ve yükseklik farkları en küçük kareler yöntemine göre dengeleme işleminden sonra hesaplanmıştır. Hassas geometrik nivelmandan elde edilen yükseklik farkları gerçek değer olarak kabul edilmiştir. PPP ve Ağ RTK yöntemlerinden elde edilen yükseklik farkları, hassas geometrik nivelmandan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Anahtar kelimeler: PPP, Ağ RTK, Yükseklik, Nivelman COMPARISON OF HEIGHT ACCURACY OBTAINED FROM PPP AND NETWORK RTK METHODS Abstract Nowadays, GNSS Systems are widely used in many application areas for geodetic and engineering purposes with the advancing Network-RTK designs and GNSS reference stations. The accuracy of the height component provided by the GNSS system is crucially important, especially for real time deformation monitoring systems. In recent years, PPP has become an important positioning method that provides high accurate position in real time. After convergence time, the coordinates of the points can be obtained within a cm accuracy. In the study, the accuracy of the height component obtained from PPP method and Network RTK methods was investigated. For this purpose, a network consisting of five reference points in Davutpasa Campus of Yildiz Technical University was established. Precise geometric levelling was performed and the height differences were obtained after least square adjustment. The height differences obtained from precise geometric levelling were assumed as true values. The height differences acquired from PPP and Network RTK methods were analyzed by compared with the height differences from precise geometric levelling method. Keywords: PPP, Network RTK, Height, Levelling
2 1. Yöntem GNSS (Global Navigation Satellite Systems) tekniği ile yeryüzü hareketleri, dinamik yapılar ve heyelanların düşey yönde izlenmesi mümkün olmakla beraber, düşey yönde doğru konum bilgisinin sağlanması büyük önem arz etmektedir (Dawidowicz, 2013; Rubinov, 2011). Gerçek zamanlı uygulamalarda sıklıkla kullanılan GNSS metotlarından Ağ RTK (Real Time Kinematic) metodu ve PPP (Precise Point Positioning) metodunun konum doğruluk araştırmaları konusunda bazı çalışmalar yapılmıştır (Garrido, 2011;Grejner-Brzezinska, 2005; Park, 2010; Janssen, 2011). Ağ RTK yönteminde doğruluk, kullanılan düzeltme yöntemine (VRS; Virtual Reference Station, FKP; Flächen Korrektur Parameter, MAC; Master-Auxiliary Concept) ve ağın nokta sıklığına göre değişmektedir (Grejner-Brzezinska, 2005; Vollath, 2000). PPP metodunda doğruluğu etkileyen en önemli faktörler olarak saat hatası, yörünge hatası ve atmosferik hatalardır (Anquela, 2012; Song, 2014). Bu hatalar sebebiyle, PPP metodunda tamsayı belirsizliği çözümü zorlaşmakta ve rölatif konumlama tekniklerine göre oldukça fazla zaman almaktadır (Azab, 2011; Berber, 2012; Cai, 2007). Bu çalışma, PPP (Precise Point Positioning) metodu ile elde edilen yükseklik bileşenleri ile İstanbul ili kapsamında hizmet veren ISKI CORS Network RTK ağından elde edilen yükseklik bileşenlerinin (farklı düzeltme yöntemlerine, farklı ölçüm epoğuna göre ve farklı uydu yükseklik açılarına göre) doğruluğunu belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bunun için, çalışma bölgesi olarak Yıldız Teknik Üniversitesi, Davutpaşa Kampüsünde 5 noktalı bir nivelman ağı kurulmuştur. Network RTK metodu ve PPP metodundan elde edilen yükseklik bileşeninin doğruluğunu belirlemek amacı ile bu noktalarda Hassas Geometrik Nivelman, Network RTK ve Statik GNNS ölçme uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Hassas Nivelman uygulaması kapalı luplar şeklinde gerçekleştirilmiş ve dayanak noktası olarak iki ayrı nivelman noktası (RS7, RS21) kullanılmıştır. Statik GNNS ile bu 5 noktanın elipsoidal yüksekliklerini belirlemek için, Yıldız Teknik Üniversitesi Harita Mühendisliğine ait YLDZ GNSS istasyonu ile test ağındaki 5 noktada eş zamanlı GNSS gözlemleri gerçekleştirilmiştir. Test ağında yapılan GNSS oturumuna ait detaylar Tablo 1. de verilmiştir. Tablo 1. Statik Oturum Verileri NOKTA UYDU KAYIT OTURUM GNSS NO AÇISI ARALIĞI BAŞLANGIÇ BİTİŞ ALICILARI P.1 10⁰ 5 sn 10:51 17.40 SATLAB SL 500 P.2 10⁰ 5 sn 11:02 17:44 TOPCON HİPER PRO P.3 10⁰ 5 sn 11:30 17.49 TOPCON HİPER PRO P.4 10⁰ 5 sn 11:40 17:45 TOPCON HİPER PRO P.5 10⁰ 5 sn 12:10 17:50 SATLAB SL 500
3 Hassas nivelman ile ortometrik yükseklikler, Statik GNSS ve CORS uygulamaları ile elipsoidal yükseklikler bulunmuştur. Doğruluk açısından karşılaştırma yapmak için noktalar arası yükseklik farkları kullanılmıştır. Bu nivelman ağında, hassas nivelman sonucu bulunan 5 noktanın yüksekliklerinden 8 adet yükseklik farkı serbest dengelenelerek, dengelenmiş yükseklik farkları elde edilmiştir. VRS ve FKP düzeltme yöntemleri ile yapılan CORS network uygulamalarında Topcon HiperPro GNSS alıcısı kullanılmıştır. Statik GNSS uygulamalarında elde edilen verilerin değerlendirilmesinde noktalar arası baz uzunluklarının çok yakın olmasından dolayı Topcon Tools ticari yazılımı kullanılmıştır. Veriler sp3 efemerisi kullanılarak, nokta konum doğruluğu düşeyde 0.040m+2pmm olacak şekilde değerlendirilmiştir. Hassas nivelman için ise Leica DNA 03 Nivo ve barkodlu mirası kullanılmıştır. Noktalar arası yükseklik farkları gidiş- dönüş şeklide kontrollü şekilde ölçülmüştür. 2. Sonuç ve Öneriler Farklı yükseklik açıları seçilerek yapılan değerlendirmede, 10 derece yükseklik açısına göre VRS yönteminin diğer yükseklik açı değerlerine göre daha iyi standart sapma değerlerine sahip olduğu görülmüştür. FKP yöntemi için en iyi standart sapma değerleri, 15 derecede elde edilmiştir. Analizlere ilişkin değerler Tablo 2. de verilmiştir. Tablo 2. VRS ve FKP Ölçme Tekniklerinin Uydu Yükseklik Açısına Göre İstatiksel Değerleri (cm) Yükseklik Açıları 5⁰ 10⁰ 15⁰ 20⁰ Düzeltme Yöntemi VRS FKP VRS FKP VRS FKP VRS FKP Minimum -4.20-2.00-1.60-4.70-4.50-3.20-4.10-2.80 Maksimum 4.90 2.70 3.20 2.30 6.70 3.90 6.30 3.60 Ortalama 0.00 0.40 0.60-1.00 0.60 1.40 0.50 0.10 Standart Sapma 1.80 1.80 1.50 1.50 2.20 0.90 1.60 1.00 PPP metodu ile Network RTK metotlarının sağlıklı bir şekilde karşılaştırılabilmesi için yükseklik açısı her bir sistemde 10 derece olarak seçilmiştir. Tablo 3 ve Tablo 4 de, Statik GNSS, PPP ve Network RTK metotlarından elde edilen değerlerin, hassas nivelmandan elde edilen farklarının istatiksel değerleri verilmiştir. Bu yöntemlerin standart sapma değerleri grafik olarak Şekil 1. de gösterilmiştir. Standart sapma değerlerine bakılırsa, en küçük standart sapma değerlerinin rölatif konumlama tekniği ile elde edildiği görülmektedir. Hassas mutlak konumlama tekniği (PPP) ile elde edilen değerlerin, yakınsama zamanından sonra iyileştiği görülmektedir. 30 dakikalık değerlendirmede dm mertebesinde olan standart sapma değerleri 3 saatlik değerlendirmede cm mertebesine 5,5 saatlik değerlendirme sonucunda ise 2-3 cm dolaylarına kadar iyileşme göstermiştir.
4 Tablo 3. PPP ve Statik GNSS Teknikleri İle Hassas Nivelmandan Elde Edilen Yükseklik Farklarının İstatiksel Değerleri (cm) Yöntem STATİK PPP Süre (Saat) 6.00 0.50 1.00 3.00 5.50 Minimum -2.40-12.40-7.70-1.00-0.30 Maksimum 1.10 15.60 5.50 2.10 1.40 Ortalama -0.80 4.40-2.00 0.30 0.50 Standart Sapma 1.00 23.70 10.10 3.70 2.60 Tablo 4. VRS ve FKP düzeltme yöntemleri İle Hassas Nivelmandan Elde Edilen Yükseklik Farklarının İstatiksel Değerleri (cm) Düzeltme Yöntemi FKP VRS Yük. Açısı/Epok 10⁰/1 10⁰/5 10⁰/10 10⁰/60 10⁰/1 10⁰/5 10⁰/10 10⁰/60 Minimum -4.30-5.30-5.50-4.00-1.20-1.20-2.40-2.80 Maksimum 1.00 2.60 3.00 2.80 2.20 3.00 2.60 5.60 Ortalama -1.10-1.20-1.10-0.60 0.50 0.90 0.30 0.50 Standart Sapma 1.70 1.60 1.40 1.40 1.60 1.60 1.10 1.60 PPP metodu için zamana bağlı olarak doğruluğun değişimi Şekil 2. de verilmiştir. Bu grafikte, 5 noktalı ağdan elde edilen 8 farklı yükseklik farkının hassas nivelmandan elde edilen dengelenmiş yükseklik farklarıyla olan farkları grafik olarak verilmiştir. Grafikte de görüldüğü gibi, her bir yükseklik farkı için zamana bağlı olarak hassas nivelmandan olan farklarda azalma görülmüştür. Yaklaşık olarak 2 saat ve üzeri zaman dilimlerinde değerler cm mertebesinde olup, 3 saat üzeri zaman dilimleri için değerler istikrarlı hale gelmiştir. Bu değerlendirmede, PPP metodunun saat hatası, uydu yörünge hataları ve atmosferik hatalardan (iyonosfer, troposfer) meydana gelen tamsayı belirsizliği çözümünden yakınsama gerçekleşene kadar dm mertebesinde etkilendiği görülmüştür.
5 Şekil 1. PPP, VRS, FKP ve Statik GNSS Teknikleri İle Hassas Nivelmandan Elde Edilen Yükseklik Farklarının Standart Sapma Grafiği Şekil 2. PPP Yönteminin Ölçü Süresine Bağlı Doğruluk Değişim Grafiği (Farklar) PPP metodu ile yapılacak uygulamalarda, saat hatası ve yörünge hatasının giderilmesi, IGS (International GNSS Service) kurumunun sağladığı parametrelerle sağlanmaktadır. Bu ürünlerin farklı doğruluklu olarak farklı çeşitleri bulunmakta olup, anlık olarak gönderilen düzeltme parametreleri mm doğrulukla konumlama yapmaya olanak vermemektedir. Yakınsama zamanı, yani tam sayı bilinmeyeninin çözümünden sonra gerçekleştirilecek uygulamalarda cm doğruluklu olarak düşey bileşenin elde edilmesi mümkün olduğu görülmüştür. VRS ve FKP metotlarının GNSS ağı yapısında düzeltmelere gereksinim duyması PPP metodunun karşısında bir dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanında, Network RTK
6 düzeltme teknikleri ile cm seviyesinde sonuca ulaşmak daha kısa sürede gerçekleşmekte ve elde edilen sonuçların PPP metoduna kıyasla doğruluğu daha yüksek olduğu istatiksel değerler incelenerek görülmektedir. Bu çalışmada, GNSS tekniklerinden PPP ve Ağ RTK metotlarının yükseklik bilgisinin doğruluğu incelenmiştir. Ağ RTK yöntemi, ağ yapısından üretilen düzeltmelerin yardımıyla daha yüksek doğrulukla sonuçlar vermiştir. PPP yöntemi ise, yakınsama zamanından sonra cm mertebesine ulaşmış ve 3 saat gözlemden sonra istikrarlı hale gelmiştir. Bu bağlamda, PPP metodu ile yükseklik değişimlerinin izlenmesi uygulamalarında yakınsama süresi sonrası cm mertebesinde doğrulukların elde edilebileceği görülmüştür. Kaynaklar Anquela, A., et al. (2012). "GPS and GLONASS static and kinematic PPP results." Journal of surveying engineering 139(1): 47-58. Azab, M., et al. (2011). "Precise point positioning using combined GPS/GLONASS measurements." Proc. FIG Working Week 2011. Berber, M., et al. (2012). "Comparison of accuracy of GPS techniques." Measurement 45(7): 1742-1746. Cai, C. and Y. Gao (2007). "Precise point positioning using combined GPS and GLONASS observations." Positioning 1(11). Dawidowicz, K. (2013). "Analysis of height determination using the ASG-EUPOS NAWGEO service." Technical Sciences/University of Warmia and Mazury in Olsztyn(16 (1)): 19--39. Garrido, M. S., et al. (2011). "Surveying at the limits of local RTK networks: Test results from the perspective of high accuracy users." International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 13(2): 256-264. Grejner-Brzezinska, D. A., et al. (2005). "On accuracy and reliability of instantaneous network RTK as a function of network geometry, station separation, and data processing strategy." Gps Solutions 9(3): 212-225. Janssen, V. and J. Haasdyk (2011). "Assessment of Network RTK performance using CORSnet-NSW." Park, B. and C. Kee (2010). "The compact network RTK method: An effective solution to reduce GNSS temporal and spatial decorrelation error." Journal of Navigation 63(02): 343-362. Rubinov, E., et al. (2011). Evaluation of NRTK heighting in Victoria: impact of a temporary reference station. IGNSS Symposium. Song, J., et al. (2014). Correction combination of compact network RTK considering tropospheric delay variation over height. 2014 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium-PLANS 2014, IEEE. Vollath, U., et al. (2000). Multi-base RTK positioning using virtual reference stations. Proceedings of ION GPS.