Gnss Kalibasyon Ağının Tasarımı Ve Oluşturulması Üzerine Bir İnceleme

Abstract

Küresel konum belirleme uydu sistemi (GNSS), her türlü hava koşulunda uyduların uzaydaki konumlarından faydalanarak, yeryüzüne yakın noktaların konum ve hızını bir referans sisteme göre belirleyebilen sistemlerin bütünüdür. GNSS, GPS, GLONASS, Galileo, Beidou gibi konum belirleme sistemleri ve bu sistemlerin etkinliğini arttırmak için geliştirilen uygulamaların tamamına denilmektedir. 1960’ lı yıllardaki mühendislik çalışmalarıyla temelleri atılan GPS, 1978 yılında ateşlenen ilk uyduyla başlamış ve 1994 yılında 24 uydudan oluşan GPS dağılımı tamamlanmıştır. ABD tarafından sürekli geliştirilen GPS, yeni sinyal yapıları ve yeni nesil uydularla her geçen gün ilerleme kaydederken, Rusya’nın GLONASS sistemini hayata geçirme çalışmaları 1976’da başlamış ve COSMOS adı verilen ilk GLONASS uydusu 12 Ekim 1982 tarihinde uzaya fırlatılmıştır. Avrupa Birliği de bu iki sisteme alternatif olarak Galileo’nun hazırlıklarına başlamış ve 2005 yılında ilk uydu uzaya fırlatılmıştır. Bunlarla birlikte Çin Beidou/Compass, Japonya QZSS ve Hindistan IRNSS/GAGAN sistemleriyle ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla kendi uydu sistemlerini geliştirmişlerdir. GNSS yardımıyla bir noktanın konumunun belirlenmesi, uydu ile alıcı arasındaki uzunluğun hesaplanmasıyla meydana gelmektedir. Bu işlem için en az dört uydu gerekmekte ve geriden kestirme yöntemi uygulanmaktadır. Burada amaç uydudan gelen sinyallerin alıcıya ulaşması ve bu sinyaller üzerindeki bilgiler kullanılarak alıcının bulunduğu noktanın koordinat hesabının yapılmasıdır. GPS ölçmeleri gerçekleştirilirken hatalar meydana gelmektedir. Uydu ve alıcı saat hataları, uydunun yörünge bilgilerinin hassasiyetinden kaynaklanan hatalar, gönderilen sinyalin alıcı antenine ulaşana kadar izlediği yolda karşılaştığı iyonosfer ve troposferin etkileri, sinyalin alıcı antenine ulaşmadan önce herhangi bir nesneyle çarpışarak yansıması (çok yolluluk) ile oluşan hatalar hesaplanması istenen nokta koordinatlarının doğruluğunu olumsuz etkilemektedir. Alıcı anteninin faz merkezinin gerçek geometrik yerinin belirlenmesi de doğruluğu etkileyen hata kaynaklarından biridir. Alıcı antenlerinin elektriksel merkezleri sabit bir nokta olmayıp uydudan gelen sinyallerin azimut ve yükseklik açısına göre değişmektedir. Alıcı anteninin faz merkezinin ve elektriksel merkezin yerlerinin iyi belirlenememesi ya da hatalı kullanılması alıcı anteninin konum doğruluğunu düşürmektedir. Bu hatayı gidermek için alıcı antenlerinin kalibrasyonunun yapılması gerekmektedir. Özellikle jeodezik uygulamalarda nokta konum doğruluğu büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle, hata kaynaklarının etkilerinin azaltılması, etkileri azaltılamayacak hataların modellenerek koordinat bilgilerinin gerçeğe en yakın değerleri elde edilmeye çalışılmalıdır. Bunlar göz önüne alınarak, dünyanın birçok yerinde alıcı anten faz merkezi değişimlerinin modellenebilmesi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Ekosuz oda ölçmeleri, mutlak robotik arazi kalibrasyonları ve rölatif arazi kalibrasyonları, faz merkezi ötelemesi ve faz merkezi değişimlerinin düzeltilmesi için uygulanan kalibrasyon yöntemleridir. Bu yöntemlerden ekosuz oda ölçmeleri maliyetinin yüksek olmasından dolayı fazla kurulamamakla beraber en fazla uygulanan yöntemdir. Arazide kontrol ve kalibrasyon işlemi için tesisin kurulacağı arazinin durumu, konumu ve gelecekte oluşabilecek etkilerle beraber tesisin sağlamlığı, yapısı ve tasarımı da ölçmeleri etkileyen öğeler arasındadır. Bu çalışma kapsamında İTÜ Ayazağa yerleşkesi içinde GNSS antenlerinin kontrol ve kalibrasyonu için bir kalibrasyon ağı tasarlanıp tesis edilmiştir. Oluşturulan kalibrasyon ağında, anten kalibrasyon çalışmalarında gerekli olan ölçmeler yapılmıştır. Bu çalışmalar sırasında pilyelerin birbilerine göre bağıl konumunu belirlemek için total station, ve yükseklik farklarını belirlemek için prezisyonlu nivo kullanılmıştır. Pilyelerin mutlak konumunu belirlemek için ise ISTA (ITRF2008)’ ya bağlı statik GPS ölçmeleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca GNSS uydularından yayılan sinyallerin alıcı antene ulaşırken bozucu etkileri olan kalibrasyon alanı etrafındaki yapıların kutupsal koordinat elemanları ölçülmüştür.

GNSS is a system that with help of satellites positions that we know we can determine our coordinates in the sea, in the air or in earth according to a reference system in all weather conditions. GNSS is defined with all positioning systems such as GPS, GLONASS, Galileo, Beidou and applications that are developed to increase the effectiveness of these systems. In 1960’s, engineering studies were started to develop GPS and the first satellite fired in 1978. In 1994, GPS distribution, that consists of 24 satellites, has been completed. While GPS is developed continuously by United States with the new signal structures and new generation satellites Russia’s GLONASS system, is implemented in 1976, started by launching COSMOS, that is the first satellite of GLONASS, on October 12, 1982. As an alternative to these two systems European Union began to make preparations for Galileo and in 2005 the first satellite was launched. Along with these, there are other systems like Beidou/Compass which belongs to Chinese, QZSS that is property of Japan and IRNSS/GAGAN which is developed by India. Determining the position of a point with the help of GNSS is comprised by calculating the distance between the satellite and the receiver. At the time satellite start transmitting signal, the receiver does the same at the same time and when the signal from satellite reaches to the receiver, there is an offset between the satellites signal and the receivers signal. Lenght of the offset is equal to the time that signal comes from its source to its destination. Multiplying this with the speed of light, we obtain the distance between the satellite and the receiver which is called pseudorange. Pseudorange is different from the real geometric distance because there are errors that affect the signal such as clock errors and errors which occurs when the signal is transmitting. For that reason, the clocks at the receiver and at the satellite must be very accurate. Because of the price, receivers only have quartz clocks but satellites have atomic clocks. Moreover these clocks control all signal components. One of the GPS observables is code pseudorange like mentioned above. Here some models are applied to the measurements to get rid of errors and receiver coordinates are calculated. Carrier phase observables are made by generating a phase at the receiver when satellite transmit the signal. Only the fractional part of the phase of the satellite signal can be measured by the receiver, the other part which contains full circles are not measured at the beginning of the observations. The number of cycles is named ambiguity and need modelling to be adjusted. Phase measurements is much accurate than code measurements. Doppler measurements is a kind of observable that use frequency shift due to movement of the satellite and the receiver. At least four satellites are required for calculation the coordinates of a point and resection method is applied. Satellite signal transmit the codes (C/A, P(Y), M, L2C etc.), which have the information of satellite ephemerides, satellite clock bias, satellites status information etc, to the receiver. P code is more precise than C/A code and Y code is a replacement for P code if A-S mode of operation is activated. As with any measuring methods, errors occur in GPS measurements too. Satellite and receiver clock erros, errors due to the sensitivity of satellite orbit data, the ionospheric and tropospheric effects that the signal come across while it travels to the receiver antenna, the reclection of the signal before it reaches to the receiver antenna occur and these errors affect accuracy of the point coordinates negatively. Especially in geodetic applications, point positioning accuracy has great importance. Therefore, to mitigate the effects of error sources, to model the errors that can not be reduced and obtain the coordinate information closest the truth should be done. The determination of the real geometrical locus of the receiver antenna phase center is one of the error sources affecting the accuracy. Electrical centers of the receiver antennas are not a fix point and vary according to the azimuth and elevation angles of coming signals. If phase center and the location of the electrical center of the receiver antenna is not well positioned or is misused, it reduces the accuracy of the location of the receiver antenna. Considering these, for modeling the receiver antenna phase center variations different methods have been developed in many parts of the world. Absolute anechoic chamber calibration, absolute field calibration, and relative field calibration to calibrate phase center offset and phase center variations of the receiver antenna. Because of the high cost anechoic chamber calibration is very difficult to establish these chambers. In anechoic chamber calibration the receiver antenna is rotated due to obtain different signal simulations. Disadvantages of this system is unlike the field calibrations the GNSS signals and the environment are not real. In relative field calibrations two station is needed, one for reference antenna and the other is for the test antenna. In absolute field calibrations additionally to relative calibrations a robot is required to rotate and tilt the test antenna. In field calibrations choosing the area and desingning the monument is vital. Todays and the futures of the vicinity must be considered. The vegetation, buildings, radio frequency environment, surrounding infrastructure, temperature, soil structure e.t.c. are the issues that can affect the stability of the monument and the signals. Even security must be taken into account. Moreover the monument which can be ground-based or roof-based, is another subject. A pillar which is a ground-based monument, should have high stability, therefore the height and the deepness of the structure, the shape of it and the concrete structure are very important. The monument itself shouldn’t be the reason of multipath. In Corbin – Virginia, there is a facility in which all field calibration examples and a CORS station could be seen. CORS station is a protype of NGS team recommendations about how a monument and the area around it should be. In this study, a control and calibration network for antenna calibration was designed and has been established in İTÜ Ayazağa campus. In the calibration network, the required measurements for antenna calibration were made. During this study, using total station the relative positions of the pillars according to each other and with precise nivo the different in height between pillars are determined. To determine absolute positions of the pillars static GPS measurements are done connecting to ISTA (ITRF2008). Furthermore, polar coordinates of the objects, which have distortions on the signals emitting from the GPS satelites, around the network are measured.