Geri Dön

Sinyal kalitesine dayalı stokastik modellerin GPS ile konum belirleme üzerindeki etkilerine ilişkin bir inceleme

An Investigation on the effect of signal quality based stochastic models on GPS positioning

  1. Tez No: 127193
  2. Yazar: M. TEVFİK ÖZLÜDEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TEVFİK AYAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2002
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Jeodezi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 137

Özet

SİNYAL KALİTESİNE DAYALI STOKASTİK MODELLERİN GPS İLE KONUM BELİRLEME ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNE İLİŞKİN BİR İNCELEME ÖZET Global Konum Belirleme Sistemi (GPS - Global Positioning System) başlangıçta askeri ihtiyaçlar doğrultusunda navigasyon amacıyla geliştirilmiş bir konum belirleme tekniğidir. Ancak GPS sonraları sivil kullanıcılar tarafından da yüksek doğruluklu konum belirleme uygulamalarında kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde sivil yaşamın pek çok alanında GPS yaygın olarak kullanılmaktadır. GPS uygulamalarında çeşitli hata kaynaklan ölçüleri etkilemektedir. Bu hata kaynakları uydu ve alıcı saat hataları, uydu yörünge hataları, uydular tararından yayınlanan elektromanyetik dalganın atmosferden geçişi sırasında maruz kaldığı iyonosferik ve atmosferik gecikme etkileri, multipath, alıcı hataları şeklinde sıralanabilir. Uydu-saat alıcı hataları uygulanan uygun ölçme teknikleri ile en aza indirilebilmektedir. Son yıllarda çok sayıda sabit istasyon aracılığıyla uydu yörünge bilgilerinin çok daha hassas bir şekilde elde edilebilmesiyle de uydu yörünge hataları ihmal edilebilir hale gelmiştir. Alıcı hatalarının teknolojik gelişme ile birlikte azalması ve uydu dağılımının, dolayısıyla geometrinin devreye sokulan yeni uydularla her koşulda yeterli olması bu hata kaynaklarının, özellikle de lokal çalışmalardaki etkilerini büyük oranda azaltmıştır, iyonosferik gecikme etkisi de çift frekansta ölçme yapılması ile büyük oranda ortadan kaldırılabilmektedir. Dolayısıyla, GPS ölçmelerindeki en önemli hata kaynaklarının uydu tarafından gönderilen elektromanyetik dalganın, alıcı çevresinde bulunan yansıtıcı yüzeylerden yansıması nedeniyle oluşan multipath etkisi ve dalganın kırılma etkisi nedeniyle troposferden geçişi sırasında gerçekleşen gecikme etkisi olduğunu söyleyebiliriz. Her iki hata da, uydu eğim açısı, yani yatay düzlemde uydu ile alıcı arasındaki açı küçüldükçe artmaktadır. Bu nedenle, uygulamada 15°-20° ve daha büyük eğim açılı ölçüler kullanılmakta ve böylece multipath ve troposferik gecikme etkisi nedeniyle bozulan ölçüler işleme katılmamaktadır. Bu durumda pek çok mühendislik uygulaması için gerekli olan doğruluğa rahatlıkla ulaşılmaktadır. Ancak, yüksek doğruluk gerektiren uygulamalar için ulaşılan bu doğruluk yeterli olamayabilmektedir. Nokta konum doğruluğunu artırmanın bir yolu, daha fazla sayıda ölçünün değerlendirilmeye alınmasıdır. Bu da düşük eğim açılı ölçülerin değerlendirmeye katılmasıyla olanaklı olabilir. Bu durumda uydu geometrisi de iyileşecektir. Ayrıca yapılan çalışmalar, düşük eğim açılı ölçülerin işleme katılmasının GPS ile elde edilen ve multipath ve troposferik gecikme nedeniyle yatay konum doğruluğuna göre yaklaşık üç kat daha düşük olan yükseklik bileşeni doğruluğunu da iyileştirdiğini ortaya koymaktadır. Son yıllarda bir çok bilim inşam, düşük eğim açılı ölçülerin de değerlendirilebilmesi konusu üzerine yoğunlaşmıştır. xnBu çalışmaların biri, troposferik gecikmenin meteorolojik verilere ya da matematiksel yöntemlere dayalı olarak modellenmesi amacıyla üretilen mapping fonksiyonlannm geliştirilmesidir. Hesaplanan troposferik gecikme değerleri ölçülere düzeltme olarak getirilmektedir. Bu noktada sorun troposferin ya da bütün olarak atmosferin doğasının tam olarak anlaşılamamış olmasıdır. Son yıllarda meteoroloji alanındaki teknolojik ilerlemeye koşut gelişmeler ve giderek artan atmosferik veri ve bilgi sayesinde bu konuda önemli bir aşama kaydedilmiş, bölgesel ya da global meteorolojik verilerin kullanımıyla çok sayıda mapping fonksiyonu üretilmiştir. Bu fonksiyonlar, ya da bir başka deyişle atmosferik modeller, düşük eğim açılı ölçülerin değerlendirilmesinde geleneksel atmosferik modellere göre daha iyi sonuç vermektedir. Bilim dünyasını meşgul eden bir diğer konu ise, daha önce belirtildiği gibi elektromanyetik dalganın yeryüzündeki objelerden yansıması, dolayısıyla gerçek uzunluğundan daha uzun bir yol katederek alıcıya ulaşması ile ortaya çıkan multipath etkisidir. Bugüne dek, multipath etkisini yaratan etmenler somut olarak ortaya konamamıştır. Ancak bu konuda yapılan çalışmalar her bir noktadaki multipath etkisinin birbirini izleyen günlerde yapılan ölçüler üzerinde benzer bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu da konu üzerinde yoğunlaşanları multipath etkisinin modellenmesi üzerine çalışmaya yöneltmiştir. Bu çalışmalarda önemli bir ilerleme kaydedildiğini söyleyebiliriz. Bu tür bir çalışma, yüksek doğruluk gerektirmeyen mühendislik uygulamalarında kullanılmayabilir; ancak konum değişimlerinin gerçek zamanlı izlenebilmesi amacıyla tesis edilen ve sürekli veri toplayan sabit istasyonlar açısından düşünüldüğünde multipath etkisinin modellenmesi ve düzeltme getirilmesi yoluyla elimine edilmesi büyük önem taşımaktadır. En küçük bir konum değişiminin saptanmasının bile büyük önem taşıdığı barajlarda, heyelan ve deprem bölgelerinde tesis edilen noktaların, insanların güvenliği açısından yüklendiği işlev göz önünde bulundurulduğunda bunun önemi daha iyi anlaşılabilir. Üçüncü konu ise düşük eğim açılı GPS ölçülerinin değerlendirilebilmelerine olanak sağlayan yeni stokastik modeller ya da ağırlık modellerin geliştirilmesidir. Geleneksel olarak GPS ölçüleri eşit ağırlıklı olarak dengeleme işlemine sokulmaktadır. Uygun olarak seçilen ağırlık algoritmalarıyla düşük eğim açılı ölçüler de en küçük kareler dengelemesinde kullanılabilir. Bu ağırlık algoritmaları uydu eğim açısına ya da bazı sinyal kalitesi ölçütlerine dayanmaktadır. Bu çalışmada farklı stokastik modeller ve bu modellerin nokta konumlarının belirlenmesi üzerindeki etkileri incelenmektedir. Bu modeller, temel sinyal kalitesi ölçütü olan sinyal- noise oranına dayalı olan Sigma-s ve Sigma- A modelleridir. Bu modeller GPS ölçüleri üzerinde uygulanmıştır. Bu modellerin uygulanmasıyla daha iyi koordinat çözümünün elde edildiği ortaya konmuştur. Ayrıca sonuçlar bu modellerin, özellikle de Sigma-s ve Sigma- A modellerinin multipath etkisinin birbirini izleyen günlerdeki tekrarlanabilirliğini ortaya koymaktadır. Sinyal kalitesine dayalı ağırlık algoritmalarının yanı sıra, uzun baz kenarları için eğim açısına bağımlı bir ağırlık nodeli uygulanmıştır. Bu modelle elde edilen koordinat çözümleri de oldukça iyidir. 7 bölümden oluşan bu çalışmanın ilk bölümünde sunuş yapılmaktadır. İkinci ve üçüncü bölümlerde ise sırasıyla, GPS'ye genel bakış ve hata kaynaklarıyla birlikte bağıl konum belirleme konulan ele alınmış, Bölüm 4'te geliştirilmiş troposferik modeller incelenmiştir. Bölüm 5'te, bu çalışmada uygulanan stokastik modeller, Bölüm 6'da ise uygulamalar verilmektedir. Sonuçlar Bölüm 7'de ortaya konmaktadır. XH1

Özet (Çeviri)

AN INVESTIGATION ON THE EFFECT OF SIGNAL QUALITY BASED STOCHASTIC MODELS ON GPS POSITIONING SUMMARY SUMMARY Global Positioning System (GPS) is a positioning technique, which was initially developed for navigational purposes with respect to the military requirements. However GPS later started to be used by also the civilian users for high accuracy positioning applications. Today GPS is widely used in many fields of civil life. In GPS applications several error sources affect the observations. These error sources can be given as satellite and receiver clock errors, satellite orbit errors, ionospheric and tropospheric delay that satellite transmitted electromagnetic wave is subjected while propagating through the atmosphere, multipath and receiver errors. Satellite-receiver clock errors can be minimised by the application of proper measurement techniques. Because in recent years the satellite orbit information can be more precisely obtained by means of several permanent stations, the satellite orbit errors have become negligible. The reduction of the receiver errors by the technological advances and the improvement in the satellite constellation with the new satellites put into function, have decreased the effects of these error sources especially in local studies. Ionospheric delay is also almost completely eliminated through the dual frequency observations. Therefore, we may say that the most important error sources in GPS measurements are the multipath effect, taking place when the electromagnetic wave reflects from the reflecting surfaces around the receiver, and the delay effect that occurs during the propagation of the wave through the troposphere because of the refraction effect. Both errors increase as the satellite elevation cut-off angle, i.e. the angle between the satellite and the receiver on the horizontal plane, decreases. Because of this, in practice the observations over 15°-20° are used and therefore the observations distorted by the multipath and tropospheric delay effects are not taken into account. In this case, the accuracy required for many engineering applications is easily achieved. However, for high accuracy application this accuracy obtained may not be adequate. A way for improving the accuracy of point positions is to include more observations in the processing. This may be possible by taking the low elevated observations into the processing. In this case, the satellite geometry will also improve. Furthermore, the studies applied show that the inclusion of the low elevated observations in the processing improves also the accuracy of the height component of which accuracy is about three times worse than the accuracy of the horizontal components because of the multipath and tropospheric delay. In recent years many scientists have concentrated on the subject of processing also the low elevated observations. One of these studies is the development of the mapping functions produced for modelling XIVthe tropospheric delay with respect to the meteorological data or mathematical methods. The computed delay values are applied as corrections to the observations. The problem in this point is that the nature of the troposphere or the atmosphere as a whole is not known properly. In recent years, thanks to the developments in the meteorology parallel to the technological progress and the increasing amount of atmospheric data and information, an important progress in this field has taken place; and through the use of regional or global meteorological data, many mapping functions have been developed. These functions, or in other words the atmospheric models, yield better results when compared to the conventional atmospheric models. Another subject that concerns the scientific world is, as mentioned before, the multipath effect that takes place by the reflection of the electromagnetic wave from the objects on the earth causing it to have a longer path to reach the receiver. So far the factors causing multipath have not been concretely determined. But the studies on this subject point out that the multipath has a similar effect on the observations made in the sequential days. This fact has oriented the people who concentrated on this topic to work on the modelling of the multipath effect. We may say that an important progress has been made in these studies. Such a study may not be used in some engineering applications not requiring that much accuracy. However, when the permanent stations, established for the purpose of real-time monitoring of positional displacements and collecting data continuously, are considered the modelling of multipath effect and its elimination through corrections have a great importance. The third subject is the development of new stochastic or weighting models, which enable us to process the low elevated GPS observations too. Conventionally the GPS observations are equally weighted in the adjustment procedure. With suitably chosen weighting algorithms the low elevated data can also be used in the least squares adjustment. These weighting algorithms are based on the satellite elevation cut-off angle or on some signal quality measures. In this study, signal quality based stochastic models and their impacts on the point positioning are investigated. These models are the Sigma-s and Sigma-A models that are based on the signal-to-noise ratio, which is the basic signal quality measure. These models have been applied on some GPS measurements collected at short baselines. It has been shown that through the application of these models better coordinate solutions are obtained. The results also show that these models characterise the day-to-day repeatability of the multipath effect. This plays an important role for the studies on the multipath mitigation techniques. In addition to the signal quality based weighting algorithms, an elevation dependent weighting scheme is applied for long baselines. The coordinate solutions through this model are also quite better for the low elevated data. This study consists of seven chapters. In the first chapter the introduction is presented. In the second and third chapters, an overview of the GPS and the relative positioning with the common error sources are given respectively. In Chapter 4, the conventional and recently developed new tropospheric models are reviewed. Chapter 5 deals with the stochastic models applied in this study. In Chapter 6, the applications and results are given. The conclusions are pointed out in Chapter 7. xv

Benzer Tezler

  1. Tez No

    847173

    Fake news classification using machine learning and deep learning approaches

    Makine öğrenimi ve derin öğrenme yaklaşımlarını kullanarak sahte haber sınıflandırması

    SAJA ABDULHALEEM MAHMOOD AL-OBAIDI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA ÇAĞLIKANTAR

  2. Tez No

    859785

    Dikgen olmayan çoklu erişim tabanlı 5G ve ötesi haberleşme sistemlerinin başarım analizi

    Performance analysis of non-orthogonal multiple access-based 5G and beyond communication systems

    İNCİ UMAKOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKütahya Dumlupınar Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA NAMDAR

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ARİF BAŞGÜMÜŞ

  3. Tez No

    905195

    Dinamik olmayan stokastik rezonans yöntemi kullanılarak su altı görüntülerinin iyileştirilmesi

    Underwater image enhancement using non-dynamic stochastic resonance

    RUSTAM SALIMOV

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI AHMET YILDIRIM

  4. Tez No

    310698

    Proteinlerin yüzeyde zenginleştirilmiş Raman saçılmasıyla tayini için yeni yöntemlerin geliştirilmesi

    Development of a novel protein detection method based on surface-enhanced Raman scattering

    MEHMET KAHRAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÇULHA

    PROF. SÜLEYMAN AKMAN

  5. Tez No

    136759

    Delta-sigma örneklemeli altdizilim işlemeye dayalı bir demetleme yöntemi

    A Beamforming method based on subarray processing with delta-sigma oversampling

    HASAN ŞAKİR BİLGE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBaşkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURHAN ÇİFTÇİBAŞI

Geri Dön