TAPAS - A new RTK standard?

Abstract

TAPAS er et fortættet RTK netværk etableret som en forsknings- og udviklingsplatform i Aarhus. TAPAS er blevet til i samarbejde mellem SDFE, DTU Space og Aarhus Kommune.Det er den danske implementering af Galileo, der har givet anledning til TAPAS. TAPAS omhandler præcis positionering og autonome systemer. Autonomonesystemer som f.eks. selvkørende biler er ikke testet i denne rapport,da det ligger udenfor fagligheden for en landinspektør. Fokus i dette speciale er således på præcis positionering. TAPAS skal på sigt fun-gere ved hjælp af state space respresentation (SSR), hvor hver fejltype(troposfære, ionosfære, satellitbanefejl osv.) modelleres for sig. Med observation state representation (OSR), som er det nuværende alternativ, evalueres alle fejltyper som én sum, der korrigeres for i observationerne. SSR er derfor i dansk sammenhæng en ny metode indenfor netværks-RTK. Forventningen til TAPAS er en standardafvigelse på 1 cm horisontalt og vertikalt under optimale forhold. Effekten af hhv. Galileo og TAPAS for præcisionen ved GNSS-RTK er omdrejningspunktet for nærværende projekt. ISO har lavet en standard for at teste præcisionen af RTK, hvor gennemsnittet for hvert punkt bliver beregnet, residualerne beregnes som afvigelser fra gennemsnittet, og derefter beregnes spredninger ud fra kvadrerede residualer. SDFE og DTU Space har lavet en test-plan for TAPAS, som beskriver, hvordan TAPAS skal testes. ISO og TAPAS-testplanen er fulgt i et vist omfang. For at teste effekten af Galileo og TAPAS er det nødvendigt med tre opmålinger med følgende opsætninger: 1) GPS/GLONASS og Leica SmartNet, 2) GPS/-GLONASS/Galileo og Leica SmartNet, 3) GPS/GLONASS/Galileo og TAPAS. Grunden til, at Leica SmartNet anvendes som referencetjeneste, er, at GNSS-modtageren til opmålingerne er udlånt af Leica og dermed kom med abonnement til Leica SmartNet. TAPAS-testplanen beskriver, at der skal foretages opmålinger i tre områder med følgende karakteristikker: åbent land, åben by og tæt by. I hvert områdeetableres 30 fikspunkter, som alle måles fem gange i hver opsætning.Det giver 150 observationer for hver opmåling i hvert område. TAPAS udsender endnu ikke korrektionssignaler som SSR, fordi RTCM-formaterne, som modtagerne bruger, ikke kan håndtere det. Derfor blev korrektionessignalerne fra TAPAS i forbindelse med dette projekt udsendt med den OSR-baserede VRS-løsning.Da målin-erne stod på, var GLONASS ikke understøttet af TAPAS. Ydermere varder servernedbrud på måledagen i åben by, hvilket betød, at VRS-tjenesten var utilgængelig. I åben by er der derfor målt med enkelt-stations RTK til nærmeste TAPAS-referencestation. Her var GLONASS understøttet. Sammenligningerne, der giver grundlaget for at evaluere effekten af TAPAS er derfor som følger: Åbent land: GPS/GLONASS - Leica SmartNet vs. GPS/Galileo -TAPAS, Åben by: GPS/GLONASS/Galileo - Leica SmartNet vs. GPS/-GLONASS/Galileo - TAPAS (Enkeltstations-RTK), Tæt by: Åbent land: GPS/GLONASS - Leica SmartNet vs. GPS/-Galileo - TAPAS. Ovenstående ændringer i det oprindelige testdesign betyder, at satellitkonstellationerne ikke er ens for TAPAS og Leica SmartNet. Dermedkan effekten af TAPAS ikke vurderes entydigt. ISO tager ikke højde for grove fejl, men der er en formodning om, at grove fejl opstår især i tæt by. Grænsen for grove fejl sættes til±3·σr. Observationer fjernes, hvis residualerne overskrider denne grænse. Når residualerne er beregnet som afvigelser fra middelværdier, kanen stor grov fejl påvirke andre observationer af samme punkt. For at vurdere sådanne tilfælde anvendes RANSAC-metoden. Som et alternativ til at fjerne grove fejl anvendes en robust estimator for spredningen, som er baseret på median absolute deviation (MAD). For at vurdere effekten på præcisionen af henholdsvis Galileo og TAPAS an-vendes en F-test, hvorved det afgøres på et 5 % signifikansniveau, om to spredninger er ens eller forskellige. I åbent land har Galileo ikke signifikant effekt. TAPAS er signifikant ringere end Leica SmartNet i åbent land. I åben by har Galileo signifikant effekt for N- og U-koordinaten. TAPAS har ikke signifikant effekt. I tæt by har Galileo signifikant effekt for E-koordinaten, TAPAS har signifikant effekt for E- og U-koordinaten. I åbent land og åben by er der indsamlet 150 observationer ved hver opmåling i hvert område. I tæt by er der 115 observationer med GPS/GLONASS - Leica SmartNet, 127 med GPS/GLONASS/Galileo - Leica SmartNet og 107 med GPS/Galileo - TAPAS. Der er opnået flest observationer ved tresatellitsystemer og Leica SmartNet. Ved sammenligning af middelværdier fra målinger med Leica SmartNet og TAPAS i åbent land er der fundet systematiske afvigelser på 1,5,0,7 og 10,6 cm for hhv. E, N og U. Konklusionen på testene i denne rapport er, at TAPAS ikke giver højere præcision end ét af de eksisterende, kommercielle alternativer. TAPAS rummer dog potentiale for SSR-løsningen til autonome systemer, da SSR er gearet til et stort antal modtagere, hvilket OSR ikke kan håndtere i samme grad.

The dense RTK network, TAPAS is a research and development platform in Aarhus set up as a part of the Danish implementation of Galileo. The expectation to TAPAS is a standard deviation of 1 cm horizontally and vertically. This project examines the effect Galileo and TAPAS have on the precision. The data collection is performed in three different environments; open rural, open urban and dense urban. In the open rural environment Galileo has no significant effect on the precision, and TAPAS is significantly less precise than Leica SmartNet. In the open urban environment, Galileo has significant effect on the precision, TAPAS has no significant effect. In the dense urban environment, Galileo has significant effect for E, while TAPAS has significant effect on the E- and U-coordinate. There is a systematic deviation between the mean coordinates between Leica SmartNet and TAPAS of 1.5, 0.7 and 10.6 cm for E, N and U. It can not be concluded that TAPAS gives more precise RTK-measurements than Leica SmartNet. Galileo has none or positive effect on the precision.

A master thesis from Aalborg University

TAPAS - A new RTK standard?