Transportable DGPS reference station Baseline HD by CLAAS for use in satellite-assisted steering systems

 

Differential Global Positioning System (DGPS) en hassas çalıştığı durumlarda hata payını 1500 cm den 10 cm indiren (ve eski) GPS’lerin gelişmiş sürümüdür.

 

Bu sayede DGPS kullanan bir insansız hava aracı kargoyu evinize getirirken;

• -Ön kapıya mı?
• -Arka kapıya mı?
• -Yoksa pizzanızı hangi pencereden istersiniz?

diye sorabilir hale geldi. Geldi diyorum çünkü yazının devamında yıllardır kullanıldığına şahit olacağız.

 

DGPS; GPS uydularından gelen yer bilgisi ile kendi konumu arasındaki farkı yayınlayan, yerde konumları belli ve yer değiştirmeyen yer istasyonlarını kullanır. Bu (yer) istasyonlar(ı); uydu verisi ile hesaplanan konum (enlem – boylam) bilgisi (pseudoranges) ile kendi gerçek enlem – boylam bilgisi arasındaki farkı sürekli yayınlar. DGPS uyumlu elimizdeki cihazlar ise (bu bir akıllı telefon bile olabilir) bu fark yayını alarak kendi konumunu – yer yer 10 cm hata- ile hesaplayabilir. Bu düzeltici sayısal değer; genellikle kısa menzilli yer istasyonu üzerinden yerel olarak yayınlanır.

 

(Yukarıda zikredilen) yönteme - general technique of augmentation- yani iyileştirme / hassasiyet artırma yöntemi denir. (Bu yöntem ile yapılan yayın) ABD Sahil güvenliği ve Kanada sahil güvenliği için; önemli suyollarında ve limanlarında Uzun Dalga (LF) bandında 285 Khz -325 Khz arasında yapılır. ABD DGPS sisteminin özel adı NDGPS’dir ve artık Sahil Güvenlik ve ABD Ulaştırma Bakanlığı Eyaletlerarası (Şehirlerarası) Kurumları ile ortak yönetilmektedir. Bu; ABD, Alaska, Hawaii ve Puerto Rico’yu içeren kara ve sahillerde yayın yapan tüm istasyonları kapsamaktadır. [1]

 

WADGPS veya SBAS olarak adlandırılan benzer bir sistemde ise iyileştirme yayını yer istasyonu yerine uydudan yayınlanmaktadır.

 

• -1 History
• -2 Operation
• -3 Accuracy
• -4 Variations

               -4.1 European DGPS Network

               -4.2 United States NDGPS

               -4.3 Canadian DGPS

               -4.4 Australia

• -5 Post processing
• -6 See also
• -7 References
• -8 External links

 

Tarihi Şüreç

(Şu an akıllı telefonlarda kullandığımız) GPS sistemi kullanılmaya sunulduğunda, ABD ordusu; düşman kuvvetlerin de bu sistemi kendi silahlarının ABD ordusunu vurmak için kullanmalarından endişe ediyordu. Başlangıçta; ABD Hükümeti, Hassaslık Ayarı Bilgisinin (HAB) -"coarse acquisition" (C/A) – değerinin yaklaşık 100 Metre hata ile kalacağını Kabul etti, ancak akıllı GPS cihazları sayesinde bu değer 20 ila 30 metre [3] hataya kadar düştü. 1990 Mart’ının [4] başında bu beklemeyen / istenmeyen doğruluk payını engellemek / hatayı payını artırmak için – uydudan gelen - L1 içinde yayınlanan HAB Bilgisi; bilinçli olarak rasgele belirlenen miktarda yanlış gönderilmeye başladı, -bu sayede- yaklaşık 100 metrelik hata payı yeniden elde edilmiş oldu. Kontrollü Hata Artırma veya kısaca KHA ismiyle bilinen bu teknik ile; askeri olmayan biz kullanıcıların GPS hassasiyeti ciddi şekilde azaltılmış oldu. Daha hassas bir enlem – boylam hesabı yapmak L2 KHA bilgisini de alan ikiz / çift alıcılı GPS cihazları ile mümkündür, Ancak; Askeri amaçla için tasarlanan L2’nin kullanılması özel çözücü donanıma sahip, izin verilen / akredite olan kullanıcıların cihazları ile mümkündür.

 

1980’lerin ortası geçilirken, birçok kurum -yukarı anlatılan- KHA sorununa çözümler geliştirdi. KHA bilgisinin zamanla yavaş değişmesi sebebiyle; hesaplanan enlem ve boylam değerinde yaşanan sapmayı da görece sabitledi. Örneğin; -bazen sadece- doğu yönünde 100 metre hata şeklinde takılı kalıyordu. Bu sayede bu -“hatalı”- konum geniş bir alanda aslında doğru oluyordu. KHA bilgisinin GPS cihazımıza bildirilmesiyle KHA yanıltıcı etkisinin -telefonumuz- cihazımız tarafından düzeltilebileceğini ortaya çıkardı. Buna ilave olarak iyonosfer tabakasındaki geçiş sırasında oluşan diğer hata kaynağını da ölçmemize ve düzeltmemize de olanak sağladı. Birçok sivil kullanıcının hayalleri ötesinde / ihtiyacından fazla olan 5 metrelik hata ile konum hesaplayabilmemiz mümkün oldu. (OG: yazının ilerleyen bölümlerinde bu tip akıllı cihazların piyasaya çıkması ile ABD başkanı Clinton devreye girmek zorunda kalacak.)

 

1980’lerin başından 1990’ların sonuna kadar DGPS sistemini kullanan / deneyen ABD Sahil Güvenlik Kurumu bu sistemin en büyük destekçilerinden. Yukarıda geçen (ve) sabit radyo alıcıları ile alınan ve GPS cihazımıza gelen bu sinyaller Uzun Dalga bandından donanma frekansları üzerinden yayınlanır. Neredeyse tüm GPS üreticileri DGPS ile çalışabilme kabiliyetine sahip cihazlar piyasa sürmektedirler, hatta havacılıkta kullandıklarımız ya AM radyoları ile çalışan ya da VHF telsizlerimiz ile çalışan cihazlarımızda da bu tip kabiliyet mevcuttur. Tüm ABD limanlarını ve de Saint Lawrence Seaway Kanalını da kapsamak için Kanada Sahil Güvenlik ile de çalışarak 1996 yılında belli sınırlar içinde bu düzeltme sinyalini yayınlamaya başladılar. Hedeflenen planlar tüm ABD’yi kapsamaktı, ancak bu kolay olmayacaktı. DGPS Düzeltme sinyalinin kalitesi doğaldır ki mesafe ile azalmaktaydı. Büyük vericilerin şehirlere konumlanması temayülü oluştu. Bunun anlamı nüfusu az bölgelerde kalite düşüyordu. 2013 Kasım ayında ABD Sahil Güvenlik Kurumu; ikiz 85 verici istasyonu ile neredeyse tüm ABD sahillerini, Alaska, Hawaii, Puerto Rico ve ülke içindeki mevcut su kanallarını da kapsama alanı içine almıştır. Ayrıca; ülke içinde mevcut su kanallarının büyük bölümüne tek veya ikiz verici ile kapsama sağlanmıştır. Federal Havacılık Dairesi -FAA- (ve diğerleri) ise dünyanın bir noktasında sabit / asılı kalan bir uydu ile tüm dünyayı DGPS ile kapsama çalışmasını başlatmıştır. Her ne kadar adı DGPS değil de WA-DGPS olarak anılsa da; Sabit / asılı uydu – geostationary orbit- yöntemi -bizi- WAAS ve benzeri sistemlere yöneltmiştir. WAAS sistemi, aynı yer DGPS sistemi kadar hassasiyet verebilmektedir. (Yani yaklaşık sadece 10 cm hata.) Ve akabinde WAAS sisteminin tümden devreye girmesiyle sistemin kapatılması için bazı çatışmalar oldu ve devam ediyor.

 

1990’ların ortasında KHA yönteminin niyetlenilen hedefini artık yerine getiremediği açıkça anlaşıldı (yani Amerikan Ordusunun kendisini korumak amacıyla biz sivil kullanıcıları özellikle hata yapan GPS bilgisi göndermesi yöntemi) DGPS sistemi; KHA’nın ülke üzerindeki beklenen faydasını azalttı. Ayrıca Körfez Savaşı sırasında ordu tarafından kullanılan sivil GPS alıcıları sebebiyle KHA sinyalinin açık kalmasının, bu sinyalin kapatılmasından daha verimli olduğu tecrübe edildi. Yıllar ile artan baskılar ile sonunda Başkan Bill Clinton’ın yayınladığı özel emir ile 2000 yılında KHA kapatıldı[7].

 

Nevertheless, by this point DGPS had evolved into a system for providing more accuracy than even a non-SA GPS signal could provide on its own. There are several other sources of error that share the same characteristics as SA in that they are the same over large areas and for "reasonable" amounts of time. These include the ionospheric effects mentioned earlier, as well as errors in the satellite position ephemeris data and clock drift on the satellites. Depending on the amount of data being sent in the DGPS correction signal, correcting for these effects can reduce the error significantly, the best implementations offering accuracies of under 10 cm.

 

In addition to continued deployments of the USCG and FAA sponsored systems, a number of vendors have created commercial DGPS services, selling their signal (or receivers for it) to users who require better accuracy than the nominal 15 meters GPS offers. Almost all commercial GPS units, even hand-held units, now offer DGPS data inputs, and many also support WAAS directly. To some degree, a form of DGPS is now a natural part of most GPS operations.

 

Operation

DGPS Reference Station (choke ring antenna)

A reference station calculates differential corrections for its own location and time. Users may be up to 200 nautical miles (370 km) from the station, however, and some of the compensated errors vary with space: specifically, satellite ephemeris errors and those introduced by ionospheric and troposphericdistortions. For this reason, the accuracy of DGPS decreases with distance from the reference station. The problem can be aggravated if the user and the station lack "inter visibility"—when they are unable to see the same satellites.

 

Accuracy

The United States Federal Radionavigation Plan and the IALA Recommendation on the Performance and Monitoring of DGNSS Services in the Band 283.5–325 kHz cite the United States Department of Transportation"s 1993 estimated error growth of 0.67 m per 100 km from the broadcast site[8] but measurements of accuracy across the Atlantic, in Portugal, suggest a degradation of just 0.22 m per 100 km.[9]

 

Variations

DGPS can refer to any type of Ground Based Augmentation System (GBAS). There are many operational systems in use throughout the world, according to the US Coast Guard, 47 countries operate systems similar to the US NDGPS (Nationwide Differential Global Positioning System).

A list can be found at World DGPS Database for Dxers

 

European DGPS Network

The European DGPS network has been mainly developed by the Finnish and Swedish maritime administrations in order to improve safety in the archipelago between the two countries.

In the UK and Ireland, the system was implemented as a maritime navigation aid to fill the gap left by the demise of the Decca Navigator System in 2000. With a network of 12 transmitters sited around the coastline and three control stations, it was set up in 1998 by the countries" respective General Lighthouse Authorities (GLA) — Trinity House covering England, Wales and the Channel Islands, the Northern Lighthouse Board covering Scotland and the Isle of Man and the Commissioners of Irish Lights, covering the whole of Ireland. Transmitting on the 300 kHz band, the system underwent testing and two additional transmitters were added before the system was declared operational in 2002.[10][11]

Trinity House - DGNSS Stations: UK and Ireland

Effective Solutions (Data Products) - European Differential Beacon Transmitters - Details and map

 

United States NDGPS

The United States Department of Transportation, in conjunction with the Federal Highway Administration, the Federal Railroad Administration and the National Geodetic Survey appointed the Coast Guard as the maintaining agency for the U.S. Nationwide DGPS network (NDGPS). The system is an expansion of the previous Maritime Differential GPS (MDGPS), which the Coast Guard began in the late 1980s and completed in March 1999. MDGPS only covered coastal waters, the Great Lakes, and the Mississippi River inland waterways, while NDGPS expands this to include complete coverage of the continental United States.[12] The centralized Command and Control unit is the USCG Navigation Center, based in Alexandria, VA.[13] There are currently 85 NDGPS sites in the US network, administered by the U.S. Department of Homeland Security Navigation Center.

 

Canadian DGPS

The Canadian system is similar to the US system and is primarily for maritime usage covering the Atlantic and Pacific coast as well as the Great Lakes and Saint Lawrence Seaway.

 

Australia

Australia runs three DGPS systems: one is mainly for marine navigation, broadcasting its signal on the longwave band;[14] another is used for land surveys and land navigation, and has corrections broadcast on the Commercial FM radio band. While the third at Sydney airport is currently undergoing testing for precision landing of aircraft (2011), as a backup to the Instrument Landing System at least until 2015. It is called the Ground Based Augmentation System. Corrections to aircraft position are broadcast via the aviation VHF band.

 

Post processing

Post-processing is used in Differential GPS to obtain precise positions of unknown points by relating them to known points such assurvey markers.

 

The GPS measurements are usually stored in computer memory in the GPS receivers, and are subsequently transferred to a computer running the GPS post-processing software. The software computes baselines using simultaneous measurement data from two or more GPS receivers.

 

The baselines represent a three-dimensional line drawn between the two points occupied by each pair of GPS antennas. The post-processed measurements allow more precise positioning, because most GPS errors affect each receiver nearly equally, and therefore can be cancelled out in the calculations.

 

Differential GPS measurements can also be computed in real-time by some GPS receivers if they receive a correction signal using a separate radio receiver, for example in Real Time Kinematic (RTK) surveying or navigation.

The improvement of GPS positioning doesn"t require simultaneous measurements of two or more receivers in any case, but can also be done by special use of a single device. In the 1990s when even handheld receivers were quite expensive, some methods of quasi-differential GPS were developed, using the receiver by quick turns of positions or loops of 3-10 survey points.

 

See also

• -Wide Area Augmentation System (WAAS) - A space-based augmentation system (SBAS) primarily for aviation usage
• -European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) and Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS)
• -Local Area Augmentation System (LAAS) - Another type of ground-based augmentation system (GBAS), but designed primarily for aviation usage
• -Assisted GPS (A-GPS) - System used primarily in GPS equipped cellular devices to improve startup performance
• -OmniSTAR (DGPS)
• -StarFire (navigation system)

 

References

1. Jump up^ "US Government page on GPS augmentation systems". Gps.gov. 2012-03-14. Retrieved 2013-07-07.
2. Jump up^ Kee, C., Parkinson, B. W., and Axelrad, P. (1991), "Wide area differential GPS", Navigation, Journal of the Institute of Navigation, 38, 2 (Summer, 1991), <http://ion.org/search/view_abstract.cfm?jp=j&idno=207>
3. Jump up^ McNamara, Joel (2008), GPS for Dummies (2nd ed.),ISBN 978-0-470-15623-0
4. Jump up^ Ho, Angela; Mozdzanowski, Alex; Ng, Christine (2005), GPS Case (PDF), Open Courseware, MIT, page 11.
5. Jump up^ "USCG DGPS coverage plot via USCG Navigation Center". Retrieved 2013-07-07.
6. Jump up^ GPS for Dummies, stating that there weren"t enough military GPS receivers, so "Selective Availability was temporarily turned off in 1990 during the Persian Gulf War" so Coalition troops could use civilian GPS receivers.
7. Jump up^ "Statement by the President regarding the United States" Decision to Stop Degrading Global Positioning System Accuracy". Office of Science and Technology Policy. May 1, 2000. Retrieved 2007-12-17.
8. Jump up^ Department of Transportation and Department of Defense (March 25, 2002). "2001 Federal Radionavigation Plan" (PDF). RetrievedNovember 27, 2005.
9. Jump up^ Monteiro, Luís Sardinha; Moore, Terry and Hill, Chris. "What is the accuracy of DGPS?", The Journal of Navigation (2005) 58, 207-225.
10. Jump up^ "Marine Differential GPS". Satellite Navigation. Trinity House.
11. Jump up^ "UK & Republic of Ireland General Lighthouse Authorities Turn to Trimble GPS For Future Navigation". Trimble Navigation Limited(Press release). PRNewsire. 22 January 1998.
12. Jump up^ "2005 FEDERAL RADIONAVIGATION PLAN" (PDF). Retrieved2013-07-07.
13. Jump up^ United States Coast Guard Navigation Center, Alexandria, VA;Standard Operating Procedures (2002)
14. Jump up^ "AMSA"s DGPS Service - Status". Australian Maritime Safety Authority. Retrieved 2013-07-07.

 

External links

• -SiReNT information page
• -US NDGPS fact sheet
• -USCG Navigation Center National DGPS system
• -USCG coverage maps
• -Canadian Coast Guard DGPS information (English)
• -Canadian Coast Guard DGPS information (French)
• -Product Survey on RTK DGPS receivers for (mainly) hydrographic use
• -DGPS Decoding Software
• -Useful DGPS Links, Databases and Resources[dead link]
• -Worldwide database of IALA DGPS Reference stations on an interactive map