Yhden vastaanottimen tarkka paikannus

Abstract

Tämän insinöörityön aiheena oli tutkia Precise Point Positioning -satelliittimittaus-menetelmää, jota suomeksi voi kutsua yhden vastaanottimen tarkaksi paikannukseksi. Työssä oli kolme vaihetta: teoria, koordinaattijärjestelmät j a muunnokset sekä laskenta ja ionosfäärin vaikutuksen tutkiminen.

GNSS-järjestelmä tarkoittaa globaaleja satelliittinavigaatiojärjestelmiä. Niitä on tällä hetkellä käytössä yhdysvaltalainen GPS sekä venäläinen GLONASS. Satelliittipaikannus perustuu etäisyyksien mittaukseen satelliiteista vastaanottimeen. Maanmittauksessa käytössä olevat perusmittaustavat ovat staattinen suhteellinen, RTK-, verkko-RTK- ja VRS-mittaus. RTK-mittauksissa käytetään yhtä tukiasemaa ja verkko-RTK- ja VRS-mittauksissa tukiasemaverkkoa. Precise Point Positioning -menetelmässä ei käytetä tukiasemaa lainkaan. PPP-menetelmä perustuu tarkkoihin rata- ja kellotietoihin, joita saa esimerkiksi IGS:lta (International GNSS Service.) PPP-menetelmällä voidaan saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus. PPP-menetelmän etuja on tukiasemista riippumattomuuden lisäksi tarvittavan laskennan vähyys. PPP-menetelmän haittapuolia ovat pitkät konvergenssiperiodit, heikko tarkkuus suhteelliseen mittaukseen verrattuna sekä liitokset paikallisiin koordinaattijärjestelmiin.

Suomessa ollaan siirtymässä vanhenevasta kartastokoordinaattijärjestelmästä EUREF-FIN-koordinaatistoon, joka on kansallinen realisaatio eurooppalaisesta ETRS89-järjestelmästä. Julkisen hallinnon suosituksissa 153 ja 154 on määritetty muunnokset KKJ:n ja EUREF-FINin välillä. Koska satelliittien tarkat rata- ja kellotiedot ovat aina ITRF-koordinaatistossa, täytyy PPP-menetelmää käytettäessä käyttää koordinaattimuunnoksia jotta päästään paikalliseen koordinaatistoon. Tähän ei ole vielä rutiinimuunnosta. Tässä työssä selvitettiin tarvittavat muunnoskaavat mittaushetken ITRF-epookista EUREF-FIN-koordinaatteihin.

Laskentaan käytettiin Metsähovin tutkimusasemalta vuosina 2000 ja 2010 kerättyä GPS-havaintodataa. Ionosfääriaktiivisuus oli korkealla vuonna 2000 ja rauhallinen vuonna 2010. Laskennassa käytettiin kanadalaista PPP Direct -palvelua, joka on vapaasti käytettävissä internetissä. Laskennassa havaittiin, että vuoden 2010 virhearvot ovat noin 20 prosenttia pienemmät kuin vuoden 2000 virhearvot.

The purpose of this final year project is to study a satellite positioning method called Precis¬e Point Positioning (PPP.) This work includes three chapters. In chapter one, satellite positioning in general and Precise Point Positioning in particular are explained. Chapter two includes coordinate systems and transformations. Chapter three includes calculations and conclusions on effects of ionosphere activity on the accuracy of the PPP solution.

GNSS (Global Navigation Satellite System) systems currently in use are the American GPS and Russian GLONASS. Satellite positioning is based on measuring distances from satel¬lites to the receiver. Traditional land surveying methods using satellites are relative static, Real-Time Kinematic and Virtual Reference Station methods. These methods use reference stations. Precise Point Positioning is a technique that does not use reference stations. PPP requires precise satellite ephemerides and clock corrections, such as provided by IGS (International GNSS Service.) Long convergence periods, relatively weak accuracy and a need for transformation to the local reference frame are downsides of the PPP method.

In Finland, the old map grid coordinate system (KKJ) is being replaced by the EUREF-FIN –system which is the national realization of the European ETRS89. The necessary transformations are specified in the public administration recommendations (JHS) 153 and 154 created by the Finnish Geodetic Institute. Because the precise ephemerides of the satellites are given in ITRF coordinates, coordinate transformations from ITRF to local coordinates are an essential part of using PPP. In this project, necessary formulas for transformations between ITRF and EURE-FIN were studied.

For calculations, data from the FGI Metsähovi research station was used. Data were collected during years 2000 and 2010. The ionosphere activity was high in year 2000 and low in year 2010. Only GPS data was used in this project. For calculations, Canadian online service called PPP Direct was used. From calculations it was concluded that the accuracy was approximately 20 percent better during the year 2010 than in 2000.