Metoda priemerovania a presnost bodov meranych pomocou GPS
original
Target Corrected GPS Point Features for Accurate Results
Samuel G.Shaw, California Maritime Academy
GIS World May 1995
skrateny preklad Nada Machkova , DPZ pri SAZP
email machkova@sazp.sk
recenzia Ing.Jan HEFTY, CSc. , Slovenska technicka univerzita
email hefty@cvt.stuba.sk
Ludia sa snazia ziskat stale vyssiu presnost z GPS aparatur.
Priemerovanie je jednou z oblubenych metod. Na bode treba stat par
minut , pocas ktorych sa zmeria viacero poloh. Vysledna poloha sa urci
spriemerovanim a priradia sa k nej atributy meraneho bodu. Tato
utilita je v ponuke takmer vsetkych GPS prijimacov urcenych pre GIS
aplikacie.
Technika priemerovania
Vacsina software balikov umoznuje uzivatelovi priemerovanie.Avsak
ak nie su merane polohy opravene pomocou diferencialnych korekcii, tak
nedojde k zlepseniu polohovej presnosti, pretoze chyby nie su
rozlozene nahodne s ohladom na skutocnu polohu.
Zly postup priemerovania
Na obrazku GPS1.GIF je zobrazeny priebeh merania v 5 sekundovych
intervaloch ziskany pomocou statickeho 6-kanaloveho jednofrekvencneho
L1 prijimaca s C/A kodom na znamom bode. Meranie trvalo polhodinu.
Kontrolne znacky /krize/ su pre orientaciu v rastri 50 metrov.
Na obrazku si okamzite vsimnete zopar faktov.
1. poloha kolise okolo skutocneho bodu v oblasti s polomerom 100 m.
2. asi polovina merani je do vzdialenosti 40 m od skutocneho bodu.
Tato skutocnost je v sulade s ocakavanim, pretoze presnost GPS by
mala byt do 100 m pocas 95-98 % meraneho casu. Ak by meranie trvalo
niekolko hodin, tak by sa vyskytli merania aj za hranicou oblasti
s polomerom 100 m , avsak islo by len o vynimky a trvali by len par
minut.
3. Vertikalne zlozky polohy boli tiez merane, ale nie su na obrazku
zobrazene. Ich variacie su velmi podobne odchylkam horizontalnych
zloziek , avsak ich rozptyl je vacsi t.j. presnost je horsia, co je
tiez v sulade s predpokladom normalne pracujuceho prjimaca GPS.
Pozor, vsimnite si, ze merane polohy nie su nahodne rozmiestnene
okolo skutocneho bodu. Napriek tomu by ste priemerovanim ziskali
vyslednu polohu len o 8.8 m posunutu v horizontalnej zlozke
a vertikalny posun by predstavoval 53.617 m. Avsak polohove
merania pre ucely GIS trvaju obvykle len menej ako 3 minuty
a predstavte si kolko a akych roznych vysledkov by ste dostali, ak
by ste si vybrali ktorukolvek 3 minutovu sekvenciu z uvedeneho
polhodinoveho merania. Dlhsie meranie by naozaj zlepsilo
spolahlivost priemerovania. Asi hodinove meranie zabezpeci vyskyt
merani vo vsetkych kvadrantoch a priemer sa pohybuje s chybou okolo
10 m v horizontalnej zlozke. Po 36 hodinach by ste asi dosiahli
niekolko metrovu odchylku od skutocnej polohy. Dlhsie merania by
vsak vyrazne presnost nezlepsili, avsak trend zmeny presnosti
kazdej z troch zloziek polohy sa meni inak.
Preco nie su chyby nahodne ?
Spomenute polohove chyby su hlavne v dosledku "vynutenych chyb",
ktore sa vseobecne oznacuju ako tzv. Selective Availability (vyberova
dostupnost) skratka SA. V dosledku SA je cast GPS signalu degradovana
Ministerstvom obrany, pretoze ide o restrikcie ziskania polohovej
presnosti pre civilny sektor. Okrem toho tu spoluposobia aj ine zdroje
chyb, avsak SA ma dominantny vplyv.
SA je pre kazdy satelit ina a kolise v case. V podstate ide o
umyselne zakodovanie chybnych efemerid satelitu a sprievodneho
casoveho signalu. Tieto odchylky su nasledne tazko rozpoznatelne. GPS
tak potom v podstate meria so zlym "pociatkom" v polohe a case.
3D poloha sa ziska pomocou styroch satelitov. Kazdy satelit vsak
podlieha inej urovni SA, ktora sa navyse meni v case. V dosledku toho
je potom obrazec zobrazenych merani naozaj roznych tvarov. SA je vsak
premyslene modifikovana tak, aby z ktorychkolvek styroch satelitov po
prijme chyba nepresiahla presnost danu vyrobcom pre danu aparaturu.
Ak mate pri merani k dispozicii viac ako styri satelity, tak si
vacsina GPS prijimacov vyberie automaticky 4 najlepsie z nich tak, aby
minimalizovala chyby v dosledku nevyhodnej geometrickej polohy
satelitov. V priebehu merania sa tato geometria meni a prijimac
postupne meni vyber satelitov a tym nastava aj ina kombinacia
chybovych rozptylov.
Spravny postup pri priemerovani udajov
Z uvedeneho vyplyva, ze merane polohy nie su rozlozene nahodne
okolo skutocnej polohy meraneho bodu, cize nie je mozne ziskat
spolahlivu polohu priemerovanim. Preco potom vacsina vyrobcov GPS
odporuca merania s kratkymi intervalmi na zlepsenie presnosti ?
Odpovedou je nepravdiva domnienka, ze vsetky merane udaje su
implicitne diferencialne korigovane ! Technika diferencialnej korekcie
naozaj umoznuje zlepsit polohovu presnost v priebehu niekolkych minut,
avsak popis tejto metody je nad ramec tohto prispevku /pozri GIS World
Feb.95/. Na ilustraciu je vsak prilozeny obrazok GPS2.GIF, kde su
diferencialne korigovane udaje z GPS1.GIF a az potom priemerovane. Na
prvy pohlad vidite zhluk merani s rozptylom 6.8 m a kontrolne
orientacne krize s povodnym intervalom 50 m sa uz po tomto spresneni
stratili.Merania maju takmer symetricke rozlozenie voci skutocnej
polohe. Pred vyslednym priemerovanim sa vsak este vylucia body
s maximalnymi odchylkami a priemer potom dosiahol odchylku len 0.133
m od skutocnosti v horizontalnej zlozke a 0.201 vo vertikalnej.
Presny pristup
Presnost urcenia polohy sa da naozaj zlepsit metodou
priemerovania diferencialne korigovanych merani. Priemerovanie
nekorigovanych merani je nespolahlive, avsak pri dlhodobom merani
mozete spolahlivo ziskat polohovu presnost do 1-2 m. No uvedomte si,
ze len velke mnozstvo polohovych merani ziskanych takmer kontinualne
zaruci zmenu trendu odchylok k lepsiemu a nasledne tendenciu priemerov
ku skutocnej polohe meraneho bodu.
Poznamka : citatel si k tomuto dokumentu musi stiahnut aj obrazove
subory GPS1.GIF a GPS2.GIF, ktore boli pre ilustraciu
zoscanovane.