gps-3-upd.pdf

Modul-3 : GPS Positioning

Lecture Slides of GD. 3211 Satellite SurveyingGeodesy & Geomatics Engineering

Institute of Technology Bandung (ITB)

Hasanuddin Z. AbidinGeodesy Research DivisionInstitute of Technology BandungJl. Ganesha 10, Bandung, IndonesiaE-mail : [email protected]

Version : February 2007

Positioning with GPS Position is given in 3-D, i.e. (X,Y,Z) or (L,B,h). Height (h) given by GPS is an ellipsoidal height. Positioning datum is WGS (World Geodetic System) 1984

which uses reference ellipsoid : WGS84. Point to be positioned could be stationary or moving. Positioning could be done relative to the Earths center or

relative to the other known point. Positioning could be done using several methods : absolute

positioning, differential positioning, static surveying, rapidstatic, pseudo-kinematic and kinematic positioning.

Positioning accuracy : mm to several of m level. Positioning accuracy would depend on several factors :

positioning method, satellite geometry, data quality, anddata processing strategy.

Hasanuddin Z. Abidin, 2006

Basic Principle of Positioning with GPS

However, with GPS we can only measurethe distances, not the position vectors.

GPS overcome this positioning problem bysimultaneously measuring distancesto several GPS satellites.


GPS

Observer

Earths center

r (known)_

(required)_

R (sought)_

R = r - _ _ _

Geocentric position of satellite ( r )is known.

If the topocentric vector position ofsatellite ( ) can be measured, thenthe geocentric position vector ofthe observer can be determined as :

_

_

d1d2

d3 d4 d5

The Principle is Not New !! The basic principle of GPS positioning

is actually not a new one.

It is actually the same astraditional terrestrial principleof resection by distancesto the known control points.


d1 d2d3

(x,y)3

(x,y)2(x,y)1

measured

known

(x,y) = ?? sought

In case of GPS, the knownpoints are lift up to the skyas the satellites, the satellites can be seen

as the rotating 3D-knowncontrol points

d1d2

d3 d4 d5

(X,Y,Z)1(X,Y,Z)2

(X,Y,Z)3 (X,Y,Z)4 (X,Y,Z)5

(X,Y,Z)

measured

known

sought

Satellites coordinatesare computed based

on Navigation Message

Pengukuran jarak secara simultan ke beberapasatelit yang telah diketahui koordinatnya

metode reseksi dengan jarak.

Pada pengamatan posisi suatu titik dengan GPSpada suatu epok, ada 4 parameter yang harusditentukan yaitu :

- 3 parameter koordinat (X,Y,Z atau L,B,h)- 1 parameter kesalahan waktu yang disebabkan

oleh ketidaksinkronan antara jam (osilator) disatelit dengan jam di receiver GPS.

Untuk itu diperlukan minimal pengamatan jarak ke 4 (empat) satelit. Saat ini sudah dikenal beberapa metode penentuan posisi dengan GPS.

Prinsip Dasar Penentuan Posisi Absolutdengan GPS menggunakan Pseudorange


http://www.nasm.si.edu/galleries/gps/

Visualisasi PenentuanPosisi Absolut dengan GPS(Tanpa Kesalahan Jam Receiver)

http://www.go.ednet.ns.ca/~larry/gps/trnglate.gif

Visualisasi Perpotongan 3 Buah Bola

http://www.math.tamu.edu/~dallen/physics/gps/gps.htm

http://www.montana.edu/places/gps/1Basic/slide19.html

Visualisasi Penentuan Posisi Absolut dengan GPS(Dengan Kesalahan Jam Receiver)

WGS 1984 didefinisikan dan dijaga oleh Defence Mapping AgencyAmerika Serikat sebagai datum global geodetik.

WGS 1984 adalah sistem referensi untuk koordinat satelit GPS(Broadcast Ephemeris).

WGS-1984 adalah Sistem Koordinat Kartesian Terikat-Bumi dengankarakteristik :. pusatnya berimpit dengan pusat massa bumi. sumbu-Z nya berimpit dengan sumbu putar bumi yang melalui CTP(Conventional Terrestrial Pole).

. sumbu-X nya terletak pada bidang meridian nol (Greenwich)yang didefinisikan BIH.

. sumbu-Y nya tegak lurus sumbu-sumbu X dan Z, membentuksistem tangan-kanan.

Digunakan oleh GPS sejak tahun 1987.Sebelumnya WGS-1972 yang digunakan.

Ellipsoid yang digunakan adalah WGS 84 yang sangat miripGRS (Geodetic Reference System) 1980.

World Geodetic System (WGS) - 1984


Sistem Koordinat WGS - 1984


Y WGS 84

X WGS 84

Z WGS 84

IERS Reference Pole (IRP)IERSReferenceMeridian(IRM)

Pusat massa bumi

Ellipsoid WGS84

Realisasi WGS 84 (1)


Datum WGS 84 direalisasikan dengan menggunakan koordinat daribeberapa stasion penjejak (tracking stations) yang terdistribusi secaraglobal serta mempunyai ketelitian absolut sekitar 1-2 meter [Bock, 1996].

Sejak Januari 1987, Defense Mapping Agency (DMA) Amerika Serikatmulai menggunakan WGS 84 dalam menghitung orbit teliti (preciseephemeris) untuk satelit TRANSIT (Doppler).

Orbit teliti ini selanjutnya bersama-sama dengan pengamatan Dopplerdigunakan untuk menentukan posisi dari 10 stasion penjejak GPS milikDoD. Kesepuluh stasion ini selanjutnya digunakan untuk menjejaksatelit GPS untuk menentukan parameter orbit dari satelit GPS.

Untukmenyelaraskan sistem koordinat WGS 84 dengan sistem ITRFyang lebih teliti serta banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi geodetikpada saat ini, DoD telah menentukan kembali koordinat dari 10 stasionpenjejak tersebut pada epok 1994.0.

Realisasi WGS 84 (2)


Penentuan kembali koordinat ini dilakukan dengan menggunakan dataGPS yang diamati di kesepuluh stasion tersebut serta di beberapa stasionpenjejak IGS (Internation GPS Service for Geodynamics), yang dalamperhitungan ini koordinatnya dalam sistem ITRF 91 dianggap tetap.

Kerangka koordinat WGS 84 yang telah ditingkatkan kualitasnya ini telahdinamakan sebagai WGS 84 (G730). Huruf G menyatakan bahwa sistem iniditurunkan menggunakan data GPS dan angka 730 menunjukkan nomorminggu GPS (hari pertamanya adalah 2 Januari 1994) dimana sistem baruini digunakan oleh DMA dalam proses pengolahan orbit di kalangan mereka[Bock, 1996].

Dalam kaitannya dengan GPS, Air Force Space Command dari DoD telahmengimplementasikan koordinat WGS 84 (G730) ini sejak 29 Juni 1994.

Menurut [Swift, 1994] serta [Malys and Slater, 1994], tingkat kedekatanantara ITRF (91 & 92) dengan WGS 84 pada saat ini adalah berada padaorde sekitar 10 cm.

DatumLokal

Ellipsoid Referensi danParameter Perbedaan

Parameter Transformasi

Nama a (m) f x 104 X (m) Y (m) Z (m)

Batavia(Sumatera)

Bessel 1841 739.845 0.10037483 - 377 3 681 3 - 50 3

Bukit Rimpah(Bangka, Belitung)

Bessel 1841 739.845 0.10037483 - 384 664 -48

Gunung Segara(Kalimantan)

Bessel 1841 739.845 0.10037483 - 403 684 41

Datum Indonesia1974 (ID 74)

GRS 1967 -23 - 0.00114930 - 24 25 - 15 25 5 25

Parameter Transformasi dariBeberapa Datum Lokal di Indonesia

ke Datum WGS 84 [DMA, 1991]


XYZ

dXdYdZ

(1 ds).1 RZ RYRZ 1 RX

RY RX 1.

XYZWGS 84 ID74

dX = - 1.977 1.300 mdY = -13.060 1.139 mdZ = - 9.993 3.584 mds = - 1.037 0.177 ppmRX = - 0.364 0.109RY = - 0.254 0.060RZ = - 0.689 0.042

Parameter Transformasi ID74 ke WGS84


Ditentukan dengan menggunakan 38 buah titik sekutu[Subarya & Matindas, 1996] :

Factors InfluencingGPS Positioning AccuracySatellite

Geometry

Data ProcessingStrategy

Data Quality

PositioningMethod


4

Faktor-Faktor yang MempengaruhiKetelitian Posisi GPS


tipe data yang digunakan kualitas receiver GPS level dari kesalahan dan bias

jumlah satelit lokasi dan distribusi satelit lama pengamatan

absolute & differential positioning static, rapid static, pseudo-kinematic, stop-and-go, kinematic one & multi monitor stations

real-time & post processing strategi eliminasi dan pengkoreksian kesalahan dan bias metode estimasi yang digunakan pemrosesan baseline & perataan jaringan kontrol kualitas

Ketelitian Data

Geometri Satelit

MetodePenentuan Posisi

StrategiPemrosesan Data

GPS Errors and Biases


?

Orbital errors Satellite clock errors

Phase Ambiguity Cycle Slips

Tropospheric bias

Ionospheric bias

Receiver clock errors Antenna errors Receiver noise

Multipath Imaging

One-Way Pseudorange


P = pseudorange = geometric range between the antenna and satellited = ephemeris (orbital) errordtrop = tropospheric biasdion = ionospheric biasdt,dT = receiver and satellite clock errorsMP = pseudorange multipathP = pseudorange noise

Subscript i indicates a certain frequency of signal (i=1,2, or 5)

4

Pi = + d + dtrop + dioni + (dt - dT) + MPi + Pi

One-Way Phase Range


L = phase measurement in range unit = geometric range between the antenna and satellited = ephemeris (orbital) errordtrop = tropospheric biasdion = ionospheric biasdt,dT = receiver and satellite clock errors = signal wavelengthN = phase ambiguity (integer)MC = phase multipathC = phase noise

Subscript i indicates a certain frequency of signal (i=1,2, or 5)

4

Li = + d + dtrop - dioni + (dt - dT) i.Ni + MCi + Ci


SPS = Standard Positioning Service (for civilian).PPS = Precise Positioning Service (for military and authorized users).PPP = Precise Point Positioning (using phases)

1 mm 1 cm 1 m10 cm 10 m 100 m

DIFFERENTIALPOSITIONING

ABSOLUTEPOSITIONING

3 mmstatic survey (carrier phase)

5 cm

1 mcarrier-smoothed code

2 mdifferential code

3 mPPS with anti-spoofing

5 mSPS without selective availability

50 mSPS with selective availability

ambiguity-resolved carrier phase

Since2 May2000

PPP surveying10 cm

Spectrum of GPS Positioning Accuracy


Metode-MetodePenentuan Posisi dengan GPS

STATIK(obyek diam, receiver diam)

KINEMATIK(obyek bergerak, receiver bergerak)

RAPID STATIK(obyek diam, receiver diam (singkat))

PSEUDO-KINEMATIK(obyek diam, receiver diam & bergerak)

STOP AND GO(obyek diam, receiver diam & bergerak)

ABSOLUTE(satu receiver)

DIFFERENTIAL(minimal 2 receiver)


Post-processing

Pseudo-kinematic

Real-Time

Static

Kinematic

Stop-and-Go

Rapid Static

Navigation

RTK DGPS

PPP(PrecisePoint

Poitioning)

Surveying

Positioning with GPS

Differential AbsoluteDifferentialAbsolute

GPS Positioning Methods

Absolute Positioning


It is also called point positioning Position is given in WGS-84 system, relative to mass center of the Earth. Uses only one receiver. Basic principle : simultaneous distance measurements to several satellites. Point to be positioned could be stationary or moving. Usually based on pseudoranges The phases could also be used if the initial phase ambiguities have been

previously determined or they are estimated together with the position. Precise Point Positioning (PPP) is using phases in static mode.

Positioning accuracystrongly dependent onthe data quality andsatellite geometry.

It is not intended foraccurate positioning.

Main applications :navigation andreconnaissance.

GPS Satellite

Kinematic

GPS Satellite

Static

Using a single epoch observations.

Usually based on pseudoranges.

Basic positioning mode used bythe navigation-type GPS receiver.

At each epoch, there are 4 parametersthat should be estimated :

- 3 parameters of coordinate (X,Y,Z or ,h)- 1 parameter of receiver clock errors

In order to estimate the parameters, observations tominimal of 4 GPS satellites are required.


Real-Time Absolute Positioning (1)

http://www.math.tamu.edu/~dallen/physics/gps/gps.htm

A single epochobservation equations

using psudoranges :

Position of GPS receiverto be estimated : (x,y,z)

Coordinates of satellitesare known.

Psudoranges are measured.

Real-Time Absolute Positioning (2)

Before May 2000 :Before May 2000 :2525--100 m100 m

33 -- 5 m5 m

USC-USDC (2002)

RealReal--Time Absolute Positioning (3)Time Absolute Positioning (3)

Todays typical accuracy ofTodays typical accuracy ofhorizontal position based onhorizontal position based on C/A Code on L1C/A Code on L1


Modernization of GPS Signals

P(Y)

C/A

C/A

P(Y)

P(Y)

P(Y)

ML2CM

C/A

P(Y)

M

P(Y)

L2CM

P(Y)

C/A

C/A

P(Y)

P(Y)

P(Y)

ML2CM

Current signals(Block II/IIA/IIR)

C/A

P(Y)

M

P(Y)

L2CM

1176 MHz 1227 MHz 1575 MHz1176 MHz(L5)

1227 MHz(L2)

1575 MHz(L1)

Full modernizedSignals (Block IIF)

Next GenerationSignals (Block IIR-M)


11--3 m3 mBetter resistance toBetter resistance tointerferenceinterference

Eliminates need for costlyEliminates need for costlyDGPS in many nonDGPS in many non--safetysafetyapplicationsapplications

USC-USDC (2002)

RealReal--Time Absolute Positioning (4)Time Absolute Positioning (4)

Tomorrows typical accuracy ofTomorrows typical accuracy ofhorizontal position based onhorizontal position based on C/A Code on L1C/A Code on L1 L2C Code on L2L2C Code on L2 New Code on L5New Code on L5 Hasanuddin Z. Abidin, 2006


Static Absolute Positioning Using many epochs of observations (e.g. a few hours or more).

Requires the use of mapping or geodetic-type receiver.

Can based on pseudoranges, phases and phase-smoothedpseudoranges.

Typical accuracy spectrum :dm to a few meters

Accuracy will be mainly affected by :- type of data being used- data length

Can be used for establishing the initial(temporary) control station.

DOP adalah bilangan yang digunakan untuk merefleksikan kekuatangeometri dari konstelasi satelit.

Nilai DOP kecil geometri satelit kuat (baik)Nilai DOP besar geometri satelit lemah (buruk)

Nilai DOP dihitung berdasarkan matrik ko-faktor dari parameter yangdiestimasi.

Nilai DOP akan tergantung pada jumlah, lokasi, dan distribusi darisatelit serta lokasi dari pengamat sendiri.

Nilai DOP bervariasi secara spasial maupun temporal. Beberapa jenis DOP :

. GDOP = Geometrical DOP (posisi-3D dan waktu)

. PDOP = Positional DOP (posisi-3D)

. HDOP = Horizontal DOP (posisi horisontal)

. VDOP = Vertical DOP (tinggi)

. TDOP = Time DOP (waktu)

Dilution of Precision (DOP)


ketelitian parameter = DOP . ketelitian data

Q A A

qxx

qxy

qxh

qxt

qyy

qyh

qyt

qhh

qht

simetri qtt

XT

( ) 1

GDOP qxx

qyy

qhh

qtt

PDOP qxx

qyy

qhh

HDOP qxx

qyy

VDOP qhh

TDOP qtt

Perhitungan DOP untukabsolute positioning

dan differential positioningadalah tidak sama

A = Matrik Desain

Dilution of Precision (DOP)


Nilai DOP ditentukan dari matriks ko-faktor :

GDOP kecil(Volume Tetrahedron besar)

GDOP besar(Volume Tetrahedron kecil)

Variasi Nilai GDOP

Semakin banyak satelit yang diamati,nilai GDOP akan semakin mengecil dan sebaliknya !

http://www.topconps.com/gpstutorial/

-100 -50 0 50 100Easting (m)

0

100

50

-100

-50

Nor

thin

g(m

)

Lintang : 420 27 34 UBujur : 710 15 54 BWaktu : 2 April 1997Sampel : setiap 1 menitReceiver : Ashtech GG24Jumlah satelit : 25

HDOP < 1 : 43%1< HDOP< 2 : 51%HDOP > 2 : 6%

Kesalahan horisontal :50% : 20. 1 m95% : 52.5 m99% : 73.8 m

Contoh Hasil Penentuan PosisiAbsolut Dengan GPS


PenentuanPosisiAbsolutDengan GPSSetelah SADitiadakan

(1 Mei 2000)

Ref. : SNAP, School of Geomatics Eng. UNSW

SA Off

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Longitude (m)

Lati

tude

(m)

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3 -2 -1 0 1 2 3

SA Off

SA On

SA Off

Penentuan Posisi Absolut Dengan GPSSetelah SA Ditiadakan (KOMPONEN HORISONTAL)

600

700

800

900

1000

1100

1200

1 101 201 301 401

E p o c h

Me

te

r

SA On

SA Off

Penentuan Posisi Absolut Dengan GPSSetelah SA Ditiadakan (KOMPONEN TINGGI)

Ref. Lab. Geodesi - ITB

PenentuanPosisi AbsolutDengan GPS(1 Mei 2000,

Durasi : 30 menit)

http://www.mercat.com/QUEST/

SA On

PenentuanPosisi AbsolutDengan GPS(2 Mei 2000,

Durasi : 3h 39m)

SA Off


Differential Positioning It is also calledrelative positioning. Required at least 2

receivers, where one of themis located on the point withknown coordinates(reference station).

Position is determinedrelative to the referencestation.

Basic concept: differencing process could eliminate and/or reduce the effects ofsome errors and biases, and therefore enhancing the positioning accuracy.

Effectiveness of differencing process would strongly depend on the distancebetween the monitor station and the point to be positioned (the shorter the moreeffective, and vice versa).

Point to be positioned could be stationary or moving. Could use pseudoranges, phases, or phase-smoothed pseudoranges. Positioning accuracy level ranges from medium to high. Main applications: survey and mapping, geodetic surveys, and precise

navigation.Hasanuddin Z. Abidin, 1994

Observer

GPS Satellite

MonitorstationObserver

STATIC

KINEMATIC

GPS Satellite

Referencestation

Effect of GPS Data Differencing


ERRORS AND BIASESCOULD BE

ELIMINATEDCOULD BEREDUCED

COULD NOT BEELIMINATEDOR REDUCED

Satellite clock

Receiver clock

Orbit (Ephemeris)

Ionosfir

Troposfir

Multipath

Noise

The effectiveness of error-and-bias reduction will mainly depend onthe distance between stations (baseline length) the longer the baseline, reduction will be less effective, and vice-versa.

For high precision applications, the residual errors and biases shouldbe further modeled and/or estimated.


Receiver # 1 Receiver # 2

Satellite # 1,epoch # 1

Satellite # 1,epoch # 2 BETWEEN

EPOCHS

Satellite # 2,epoch # 2

Data Differencing Modes

BETWEENRECEIVERS

BETWEENSATELLITES

Differencing TypesSD = OW - OWDD = SD - SDTD = DD - DD between-receiver

between-satellite between-epoch

OW = ONE-WAY data SD = SINGLE-DIFFERENCE data DD = DOUBLE-DIFFERENCE data TD = TRIPLE-DIFFERENCE data


valid forpseudoranges,phase ranges,

or otherdata combination

Data that are mainly used fordifferential GPS positioning are :

Receiver-Satellite Double-Difference Triple Difference

Contoh Hasil Penentuan PosisiRelatif Dengan GPS


-10 -5 0 5 10Easting (m)

0

10

5

-10

-5

Nor

thin

g(m

)

Lintang : 420 27 34 UBujur : 710 15 54 BWaktu : 2 April 1997Sampel : setiap 1 menitReceiver : Ashtech GG24Jumlah satelit : 25

HDOP < 1 : 20 %1< HDOP< 2 : 75 %HDOP > 2 : 5 %

Kesalahan horisontal :50% : 1.5 m95% : 3.8 m99% : 7.2 m

Jarak ke Stasion Referensi : 140 km

DGPS

PenentuanPosisi RelatifDengan GPS(1 Mei 2000,

Durasi : 52 menit)


SA On

PenentuanPosisi RelatifDengan GPS

(2-3 Mei 2000,Durasi : 13h 40m)

SA Off


DGPS System


DGPS (Differential GPS) system is a termused to represent a real-time differentialpositioning system using pseudorange data.

In order to establish a real time mode,Reference Station has to send the differentialcorrection to the user in real-time by usinga certain data communication system.

Two types of differential correction :- pseudorange correction (RTCM SC-104)- position correction

Generally used : pseudorange correction

Typical positioning accuracy : 1 - 3 m

It is generally used to positionthe moving objects.

Main applications: marine surveysand medium accuracy navigation.

GPS

ReferenceStation

DifferentialCorrection

Vessel

SistemDGPS

http://www.mercat.com/QUEST/DGPS.htm

Local & Wide Area DGPS


Tergantung wilayah cakupannya, sistem DGPS dapat dibedakanatas Local Area DGPS (LADGPS) dan Wide Area DGPS (WADGPS)

Satu stasionreferensi

Skalar (koreksipseudorange)

Lokal (< 100 km)

Jumlah stasionreferensi

Koreksi untuksetiap satelit

Validitaskoreksi

Beberapastasion referensi

Vektor (koreksi jam satelit,tiga komponen kesalahanephemeris, parameter-parameter model ionosfir)

Regional

LADGPS WADGPS

Sistem WADGPS

RTK System


RTK (Real-Time Kinematic) system isa term used to represent a real-timedifferential positioning system usingphase data.

Could be used to position the stationaryand moving objects.

In order to establish a realtime mode, Reference Stationhas to send both phaseand pseudorange datato the user in real-timeby using a certain datacommunication system.

Typical positioning accuracy : 1 - 5 cm

Main applications : staking out, cadastral survey, mining survey, andhigh precision navigation.

Phases andPseudoranges

MonitorStation

Rover

GPS satellites

RTK Positioning: TodayRTK Positioning: Today

10 km10 km

2 cm accuracy2 cm accuracy

USC-USDC (2002)

Todays typical accuracy of positioning based onTodays typical accuracy of positioning based on L1 Code and CarrierL1 Code and Carrier

L2 CarrierL2 Carrier Data LinkData Link

100+ km100+ kmFaster recoveryFaster recoveryfollowing signalfollowing signalinterruptionsinterruptions(ex., under bridges)(ex., under bridges)

2 cm accuracy2 cm accuracyFewer referenceFewer referencestations neededstations needed

USC-USDC (2002)

RTK Positioning: TomorrowRTK Positioning: Tomorrow

Tomorrows typical accuracy of positioning based onTomorrows typical accuracy of positioning based on L1 Code and CarrierL1 Code and Carrier L2 Code and CarrierL2 Code and Carrier

L5 Code and CarrierL5 Code and CarrierData LinkData Link

4Pengguna(Rover)

StasionReferensi

Repeater

Satelit GPS

Penggunaan Repeater


Memperluas cakupan sinyal Untuk menangani adanya

obstruksi dari topografi

SR (Stasion Referensi) sebenarnya

SR maya

SR Utama

Pengguna

Penggunaseolah-olahmenerima datadari SR maya

SR utamamengirimkandata SR mayake pengguna

RTK Net (Sistem VRS)


Static Positioning

Titik (-titik) yang akan ditentukanposisinya tidak bergerak.

Bisa berupa absolute ataupundifferential positioning.

Bisa menggunakan data pseudorangedan/atau fase.

Ukuran lebih pada suatu epokpengamatan biasanya banyak.

Keandalan dan ketelitian posisi yangdiperoleh umumnya tinggi (orde mmsampai cm).

Aplikasi : penentuan titik-titik kontroluntuk survai pemetaan maupun survaigeodetik.


Satelit GPS

StasionReferensi

vektor baseline

Satelit GPS

StasionReferensi

GPS Static Surveying All points to be positioned

are stationary.

Observations are usuallyperformed to cover a certainnetwork of points.

The coordinates are determined relative tothe fixed points with known coordinates.

Observation is usually performed in baseline mode for a few hours or days.

Usually based on differential positioning using phase data.

Achievable positioning accuracy is usually high (mm to cm level).

Applications : control surveys, monitoring surveys, etc..

Other Methods : - RAPID STATIC - STOP AND GO- PSEUDO-KINEMATIC - KINEMATIC


Fixed pointsPoints to bepositionedobserved baselinevectors


KARAKTERISTIK SURVEI GPS

Metode penentuan posisi yang digunakan adalah metodediferensial (metode relatif).

Minimal 2 receiver GPS diperlukan. Penentuan posisi sifatnya statik (titik-titik survainya tidak

bergerak). Data utama pengamatan yang digunakan untuk

penentuan posisi adalah data fase. Tipe receiver yang digunakan adalah

tipe survai/geodetik bukan tipe navigasi. Pengolahan data umumnya dilakukan

secara post-processing. Antar titik tidak perlu bisa saling

melihat. Yang perlu adalah setiaptitik dapat melihat satelit.

GPS

MonitorStation

Geometri Jaring Survei GPS


titik tetap

titik yang akanditentukan posisinya

baselineyang diamati

Jaring survai GPS dibentuk oleh titik-titik yang diketahui koordinatnya(titik tetap) dan titik-titik yang akan ditentukan posisinya.

Titik-titik tersebut dihubungkan dengan baseline-baseline yangkomponennya (dX,dY,dZ) diamati.

Contoh suatu bentuk jaring GPS :

Moda Jaring vs. Moda Radial


MODA JARINGANMODA RADIAL

(DARI 1 TITIK TETAP)

Ketelitian titik Waktu Survei Biaya Survei

Moda yang digunakanakan berpengaruh pada:


Tahapan Pelaksanaan Survei GPS

pemrosesan awal perhitungan baseline perhitungan jaringan transformasi koordinat kontrol kualitas

PERENCANAAN

PERSIAPAN

PENGUMPULAN DATA

PENGOLAHAN DATA

PELAPORAN

revisi

revisi

revisi

perhitungantambahan

data GPS data meteorologi data pelengkap

pengenalan lapangan(reconnaissance)

monumentasi

peralatan geometri strategi pengamatan strategi pengolahan data organisasi pelaksanaan

Pemrosesan data survei GPS biasanyaakan mencakup tiga tahapan utamaperhitungan, yaitu :

Pemrosesan data dapat dilakukan dengan menggunakanperangkat lunak komersial ataupun ilmiah, tergantungtingkat ketelitian koordinat yang diinginkan.

Pemrosesan Data Survei GPS

1. Pengolahan data baseline2. Perataan jaringan3. Transformasi datum dan

koordinat


Titiktetap

GPS Data Processing Software


SKIProGPSurveyPinnacle

BERNESSE University of Berne, Swiss

DIPOP University of New Brunswick, Kanada

GAMIT Massachussets Institute of Technology, USA

GIPSY Jet Propulsion Laboratory, USA

TOPAS University of Federal Armed Forces, Jerman

LeicaTrimbleTopcon

Commercial Software Author

Scientific Software Author

On-line GPS Data Processing Software


AUSPOS : http://www.ga.gov.au/geodesy/sgc/wwwgps/CSRS-PPP : http://www.geod.nrcan.gc.ca/ppp_e.phpSCOUT : http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/SCOUT.cgiAUTO GIPSY : http://milhouse.jpl.nasa.gov/ag/OPUS : http://www.ngs.noaa.gov/OPUS/

It provides users with the facility to submit dual frequency geodeticquality GPS RINEX data observed in a 'static' mode, to website-basedGPS processing system and the user receive rapid turn-around ITRFcoordinates.

It is a FREE service.

This service takes advantage of both the IGS Stations Network andthe IGS product range, and works with data collected anywhere on Earth.

Examples :

Diagram Alir Pengolahan Baseline GPS


Solusi Baseline

Pemrosesan Awal

Penetapan/penentuan koordinat dari satu titik ujung baselineuntuk berfungsi sebagai titik tetap

Penentuan posisi secara deferensial(menggunakan triple-difference fase)

Pendeteksian dan pengkoreksian cycle slips

Penentuan posisi secara diferensial(menggunakan double-difference fase, ambiguity-float)

Penentuan posisi secara diferensial(menggunakan double-difference fase, ambiguity-fixed)

Solusi final dari baseline

Penentuan ambiguitas fase(searching dan fixing)

Solusi Baseline

Input untukPerataan Jaringan

Ref. : UNAVCO (1995)

1

10

100

1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993

mili

met

er

Level PresisiKomponen Horisontal


Perkembangan Ketelitian Survei GPS

Perkembangan Ketelitian Survei GPS

Ref. : UNAVCO (1995) Hasanuddin Z. Abidin, 1996

05

10

20

30

40

50

1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993

mili

met

er

Level PresisiKomponen Vertikal

Jaringan GPS untuk Contoh Perhitungan


051015202530

110

40

Nom

orbaseline

5060

Panjang baseline (km)Titik-Titik Tetap(N10237, N10239, N10240, N0006)

Panjang Baseline

02030405

0607

08

0910

N10237

111213

1415

16 1718 19

20

N0006

212223

24 25

N10239

N10240

01

Jaring GPSOrde-II BPNJawa Timur 1994

N10240

N10239

N10237

N0006

Contoh HasilPerhitungan

Jaringan GPS


Ellips kesalahan titik(95 % confidence level,Skala ellips kesalahan= 3 : 20)

0

5

10

15

20

1 10 20 30 40 50 60

Nomor Baseline

Ketelitian relatif (ppm)

Titik (-titik) yang akanditentukan posisinyabergerak (kinematik).

Selain posisi GPS juga bisa digunakan untukmenentukan kecepatan, percepatan & attitude.

Bisa berupa absolute ataupun differential positioning. Bisa menggunakan data pseudorange dan/atau fase. Hasil penentuan posisi bisa diperlukan saat

pengamatan (real-time) ataupun sesudahpengamatan (post-processing)

Untuk real-time differentian positioningdiperlukan komunikasi data antara monitor stationdengan receiver yang bergerak.

Penentuan posisi kinematik secara teliti memerlukan penggunaan data fase.Problem utamanya adalah penentuan ambiguitas fase secara on-the-fly.

Ukuran lebih pada suatu epok pengamatan biasanya tidak banyak. Ketelitian posisi : rendah sampai tinggi. Aplikasi : navigasi, pemantauan (surveillance), guidance, fotogrammetri,

airborne gravimetry, survai hidrografi, dll.

Kinematic Positioning


GPS

MonitorStation

Penentuan posisi titik-titik yangbergerak secara teliti (tingkatketelitian berorde centimeter).

Harus berbasiskan differential positioningyang menggunakan data fase.

Problem utama : penentuan ambiguitas fase secaraon-the-fly, yaitu penentuan ambiguitas fasepada saat receiver sedang bergerakdalam waktu sesingkat mungkin.

Penentuan ambiguitas secara on-the-fly akanmeningkatkan ketelitian, keandalan, danfleksibilitas dari kinematic positioning.

Saat dikenal beberapa teknik penentuanambiguitas fase secara on-the-fly.

Hasil penentuan posisi bisa diperlukan saat pengamatan(real-time) ataupun sesudah pengamatan (post-processing)

Untuk real-time differentian positioning diperlukan komunikasi data antaramonitor station dengan receiver yang bergerak.

Aplikasi : sistem pendaratan pesawat, kalibrasi altimeter satelit, studi oseanografi(arus, gelombang, pasut), dll.

GPS

MonitorStation

Precise KinematicPositioning


Survei Statik Singkat (Rapid Static)

Survei Statik dengan sesi pengamatan yang lebihsingkat (5-20 menit ketimbang 1-2 jam).

Prosedur pengumpulan data di lapangan sepertipada survei statik.

Lama pengamatan tergantung pada panjangbaseline, jumlah satelit, serta geometri satelit.

Berbasiskan differential positioning denganmenggunakan data fase.

Persyaratan mendasar : penentuan ambiguitasfase secara cepat.


Menuntut penggunaan piranti lunak pemroses data GPS yang andal dan canggih. Memerlukan satelit geometri yang baik, tingkat bias dan kesalahan data yang relatif

rendah, serta lingkungan yang relatif tidak menimbulkan multipath. Data dua-frekuensi lebih diharapkan. Untuk meningkatkan keandalan, satu baseline umumnya diamati dalam dua sesi

pengamatan. Ketelitian (relatif) posisi titik yang diperoleh adalah dalam orde centimeter. Aplikasi utama : survai pemetaan (orde tidak terlalu tinggi), densifikasi titik, survai

rekayasa, dll.

Titik Tetap

baseline

titik yang akanditentukan posisinya

Statik Singkat vs Statik

Statik singkat mempunyai tingkat produktivitas yang lebih tinggi dibandingkansurvei statik, karena waktu pengamatan satu sesi relatif lebih singkat.

Metode survei statik memberikan ketelitian posisi yang relatif lebih tinggidibandingkan metode statik singkat .

Metode statik singkat memerlukan receiver GPS serta piranti lunakpemroses data yang lebih canggih dan lebih modern.

Karena harus memastikan penentuan ambiguitas fase secara benar dengandata pengamatan yang relatif lebih sedikit, metode statik singkat relatifkurang fleksibel dibandingkan metode statik.

Metode survei statik singkat relatif lebih rentan terhadap efek dari kesalahan dan bias. Skenario yang paling baik adalah dengan menggabungkan kedua metode tersebut,

dimana setiap metode digunakan secara fungsional sesuai dengan karakteristiknyamasing-masing.


Survai statikSurvai statik singkat

Titik tetap (kontrol)Titik yang ditentukan posisinyadengan metode statikTitik yang ditentukan posisinyadengan metode statik singkat

Survei Pseudo-Kinematik (1)

Dinamakan juga metode intermittent staticatau metode reoccupation.

Dua survai statik singkat (lama pengamatanbeberapa menit) dengan selang waktu yangcukup lama (lebih besar dari 1 jam) antarakeduanya.

Argumen mendasar : Pengamatan dalam duasesi yang berselang waktu relatif lamadimaksudkan untuk mencakup perubahangeometri yang cukup, untuk dapatmensukseskan penentuan ambiguitas fasedan juga untuk mendapatkan ketelitian posisiyang lebih baik.

Memerlukan satelit geometri yang baik,tingkat bias dan kesalahan data yang relatifrendah, serta lingkungan yang relatif tidakmenimbulkan multipath.


MonitorStation

pengamatan -1

pengamatan - 2setelah > 1 jam

perubahangeometri

Pengamat

GPS

peng

amata

n ked

ua

pengamatan

pertama

Berbasiskan differential positioning dengan menggunakan data fase. Data pengamatan di antara titik-titik diabaikan. Receiver GPS dapat dimatikan selama pergerakan. Penentuan posisi menggunakan data gabungan dari dua sesi pengamatan. Tidak semua receiver GPS mempunyai moda operasional untuk

metode pseudo-kinematik ini. Menuntut penggunaan piranti lunak pengolahan data GPS yang khusus. Ketelitian (relatif) posisi titik yang diperoleh adalah dalam orde centimeter. Metode yang ideal ketika kondisinya tidak sesuai untuk penerapan

metode statik singkat ataupun metode stop-and-go.

Survei Pseudo-Kinematik (2)


Statik

Statik Singkat

Pseudo-Kinematik

Survei Stop-and-Go (1)

Karakteristik : rover bergerak dan stop(selama beberapa puluh detik) dari titikke titik.

Dinamakan juga survei semi kinematik.Mirip seperti kinematic positioning,hanya titik yang akan ditentukanposisinya tidak bergerak dan receiverdiam beberapa saat di titik tersebut.

Ambiguitas fase pada titik awal harusditentukan sebelum receiver bergerak,untuk mendapatkan tingkat ketelitianberorde centimeter.

Selama pergerakan antara titik ke titik, receiver harus selalu mengamatisinyal GPS (tidak boleh terputus).

Seandainya pada epok tertentu selama pergerakan terjadi cycle slip makareceiver harus kembali ke titik sebelumnya untuk inisialisasidan kemudian bergerak kembali.


stopstop

stop

stop

stop

stop

stopstop

go

go

go

go

gogo

go

go

Rover

Pergerakan receiver

TitikTetap

Berbasiskan differential positioningdengan menggunakan data fase.

Trayektori dari moving receiver diantara titik-titik tidak diperlukanmeskipun teramati.

Menuntut penggunaan piranti lunakpemroses data GPS yang khusus.

Untuk mendapatkan kualitas posisiyang baik diperlukan satelit geometriyang baik, tingkat bias dan kesalahandata yang relatif rendah, serta lingkunganyang relatif tidak menimbulkan multipath.

Penentuan posisi bisa dilakukan secarareal-time ataupun post-processing. Moda real-time menuntut strategioperasional yang lebih ketat.

Metode ini cocok untuk penentuan posisi titik-titik yang jaraknya dekatsatu sama lainnya serta berada pada daerah yang terbuka, seperti didaerah persawahan, perkebunan dan padang peternakan.

Perhitungankoordinat relatif

Titik Tetap

Rover

Survei Stop-and-Go (2)


Titik Lama Pengamatan (menit)

A 241 7

2 s/d 18 1

A

1 2

3

4

5

6

789

10

11

12131415

16

17

18

A = Stasion referensi1 s/d 18 = Titik-titik yang akan

ditentukan posisinya

Arah pergerakanRover

Utara

10 m

Contoh Survei Stop-and-Go


0

1

2

3

4

8:00 8:10 8:20 8:30 8:40 8:50 9:00

PDOP

GDOP

Jendela WaktuPengamatan

Contoh Survei Stop-and-Go


0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

LintangBujurTinggi

Standar Deviasi Koordinat (mm)

Nomor Titik

Stop-and-Go vs Kinematik

Pada stop-and-go titik yang akan ditentukan posisinya diam, sedangkan padakinematic titik yang akan ditentukan posisinya bergerak.

Metode stop-and-go harus berbasiskan differential positiong dengan data fase,sedangkan metode kinematic tidak perlu kecuali untuk precise kinematic.

Pada kedua metode, penentuan ambiguitas fase secara benar adalah suatu halyang esensial untuk memperoleh posisi yang relatif teliti. Pada metodekinematik, kebutuhan terhadap metode on-the-fly lebih besar.

Jika penentuan ambiguitas fase dapat dilakukan secara on-the-fly,maka pada kedua metode ini terjadinya cycle slip pada pengamatanfase selama pergerakan receiver tidak menjadi masalah.

Metode kinematic positioning umumnya memerlukan interval data yanglebih pendek.

Kedua metode memerlukan kondisi pengamatan (satelit geometri, tingkatkesalahan dan bias) yang baik untuk mencapai ketelitian posisi yang relatif tinggi.

Kedua metode dapat diimplementasikan dalam moda real-timemaupun post-processing.


Kombinasi Metode


Karena kondisi topografi danlingkungan kadangkala diperlukankombinasi dari beberapa metodeuntuk penentuan posisi titik-titik.

Receiver GPS tipe geodetik saat iniumumnya dapat melaksanakanmetode-metode statik singkat,pseudo-kinematik, ataupun stop-and-go. Jadi penggabungan metodememungkinkan.

pseudo-kinematik

stop-and-go

TitikTetap

Rover

PSEUDO-KINEMATIKdan STOP-AND-GO

statik singkat

stop-and-go

jembatan

STATIK SINGKATdan STOP-AND-GO

Rover

TitikTetap


GPS dan Terestris

Karena obstruksi (pepohonan dan bangunan) atau pertimbanganefisiensi dan efektivitas kerja, kombinasi antara pengamatan GPS danpengukuran terestris kadangkala diperlukan.

Problem : perbedaan datum antara kedua sistem pengukuran.

STATIK SINGKATdan POLIGON

STATIKSINGKATdan RINCIKAN

pengukuranpoligon

statiksingkat

TitikKontrol

GPS

statiksingkat

Titik KontrolGPS

Pengukuran detil (rincikan)dengan Total Station

statiksingkatstatik

singkat

Pergerakan Receiver


kedua receiverbergerakbersamaanpada saatyang sama

kedua receiverbergerak secarabergiliran

Pergerakan dari moving receiverharus diperhitungkan sedemikianrupa sehingga menguntungkantidak hanya dari segi kemudahanoperasional, tapi juga dari segikekuatan geometri jaringanyang dihasilkan

Monitorstation

Rover-11

2

3

4

Metode radialsatu rover

Monitorstation

Rover-11

2

3

4

Metode radialdua rover

Rover-2

5

Monitorstation

Rover-11

2

3

4

Metode hybrid,dua rover

Rover-2

5


Penggunaan Beberapa Monitor Station

Lebih banyak baseline yangdiukur. Meningkatkan keandalandan ketelitian dari posisi.

Langkah preventif terhadapkemungkinan tidak berfungsinyasatu monitor station.

Penggunaan beberapa monitorstation juga dapat digunakanuntuk mengestimasiparameter dari beberapakesalahan dan bias.Berpotensi untuk meningkatkan ketelitian dari posisi titik.

Monitor-1

Rover-11

2

3

4

Metode radialsatu rover,dua monitor

Monitor-2

Monitorstation

Rover-11

2

3

4

Metode hybrid,dua rover,dua monitor

5

Rover-2


Tinggi yang Diberikan GPS

Ketinggian titik yang diberikan olehGPS adalah ketinggian titik di ataspermukaan ellipsoid WGS 1984.

Tinggi ellipsoid (h) tersebut tidaksama dengan tinggi orthometrik (H)yang umum digunakan untukkeperluan praktis sehari-hari yangbiasanya diperoleh dari pengukuransipat datar (levelling).

Tinggi orthometrik suatu titik adalah tinggi titik tersebut di atas geoiddiukur sepanjang garis gaya berat yang melalui titik tersebut.

Tinggi ellipsoid suatu titik adalah tinggi titik tersebut di atas ellipsoiddihitung sepanjang garis normal ellipsoid yang melalui titik tersebut.

Pusat Bumi

H

h

Permukaan Bumi

Geoid

Ellipsoid


Geoid dan Ellipsoid

Geoid adalah salah satu bidangekuipotensial medan gaya berat Bumi.Untuk keperluan praktis umumnya geoiddianggap berimpit dengan muka air lautrata-rata (Mean Sea Level, MSL).

Secara matematis, geoid adalah suatupermukaan yang sangat kompleks yangmemerlukan sangat banyak parameteruntuk merepresentasikannya.

Oleh karena itu untuk merepresentasikanBumi secara matematis digunakan suatuellipsoid referensi dan bukan geoid !

Perhitungan matematis umumnya dilakukan pada ellipsoid referensi. Ketinggian geoid terhadap ellipsoid dinamakan undulasi geoid . Geoid dapat diindera oleh alat ukur, sedangkan ellipsoid tidak dapat. Geoid adalah bidang referensi untuk menyatakan tinggi orthometrik.

Pusat Bumi

H

h

Permukaan Bumi

Geoid

Ellipsoid

Tinggi Ellipsoid ke Tinggi Orthometrik

h = tinggi ellipsoid (bereferensi ke ellipsoid).H = tinggi orthometrik (bereferensi ke geoid).N = tinggi (undulasi) geoid di atas ellipsoid. = defleksi vertikal.

Rumus di atas adalah rumus pendekatan. Cukup teliti untuk keperluan praktis. Besarnya defleksi vertikal () umumnya

tidak melebihi 30.

H = h - N

Penentuan undulasi geoid secara teliti (orde ketelitian cm) bukanlahsuatu pekerjaan yang mudah. Disamping diperlukan data gaya berat

yang detil, juga diperlukan data ketinggian topografi permukaan Bumiserta data densitas material di bawah permukaan Bumi

Pusat Bumi

H

h

Permukaan Bumi

Geoid

Ellipsoid


Ketelitian Tinggi GPS

Ketelitian komponen tinggi yang ditentukan denganGPS umumnya 2-3 kali lebih rendah dibandingkanketelitian komponen horisontalnya. Kadangkalabahkan sampai 4-5 kali lebih rendah.

PENYEBABNYA :

Satelit-satelit yang bisa diamati hanya yang beradadi atas horison (one-sided geometry) :

- secara geometrik tidak optimal- tidak ada effek pengeliminiran kesalahan.Dalam kasus komponen horisontal, adanyasatelit di Timur-Barat ataupun Utara-Selatanmemungkinkan adanya pengeliminiran tsb.

Efek dari kesalahan dan bias umumnya adalahmemanjang-mendekkan jarak ukuran. Dalam hal iniyang paling terpengaruh adalah komponen tinggi.


GPS

Bumi

GPSKomponenhorisontal,pengeliminirankesalahan

Penentuan Tinggi Dengan GPS


Untuk mendapatkan hasil yang relatif telitipenentuan tinggi harus dilakukan secararelatif :

dH = dh - dN

A

Permukaan

Geoid

Ellipsoid

A B

hA hBHA

H B

NN B

Bumi

GPS

dh dapat ditentukan lebih telitidibandingkan h

dN dapat ditentukan lebih telitidibandingkan N

Pemantauan perubahan beda tinggi antar titik (berguna untuk mempelajarideformasi struktur, pergerakan lempeng, survai rekayasa, dll. nya)

Penentuan tinggi orthometrik (seandainya geoid yang teliti diketahui) Penentuan geoid (seandainya tinggi orthometrik diketahui)

Transfer datum tinggi antar pulau

PERANAN PENENTUAN TINGGI DENGAN GPS


Ketelitian diturunkan umumnya berdasarkan hasil salah penutupdari beda tinggi yang ditentukan dengan metode differential GPS.

Ketelitian yang Dilaporkan Peneliti

Sekitar 1.6 ppm Engelis & Rapp (1984)3 ppm Schwarz & Sideris (1985)

Sampai 3.2 ppm Holloway (1988)(0.5 mm + 1-2 ppm) Zilkoski & Hothem (1988)

1 - 3 ppm Kearsley (1988)

Sampai 3.5 ppm Leal (1989)

1 - 2.5 ppm Kleusberg (1990)

Ketelitian Beda Tinggi Ellipsoid dari GPS

GPS Levelling vs. Levelling


0

40

80

120

160

200

240

280

320

0 20 40 60 80 100

Levelling - Orde 1

Levelling - Orde 2

Levelling - Orde 3GPS levelling - 1 ppm

GPS levelling - 3 ppm

Jarak (km)

Ket

elit

ian

(mm

)

Pada grafik ini untuk GPS levellingdiasumsikan kesalahan relatif undulasi(dN) tidak ada (= nol).

Velocity and AccelerationDetermination using GPS


dt

dt

dt

dt

Phase Data

Frequency (Phase rate) Velocity

Acceleration

PositionEP #1

Estimation process

Differentialoperator

Frequency Rate

EP #2

EP #3

Estimation process

Estimation process

1. http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/about_gps.htm2. http://www3.sympatico.ca/craymer/geodesy/gps.html3. http://igscb.jpl.nasa.gov/4. http://www.gpsy.com/gpsinfo/5. http://www.ga.gov.au/geodesy/sgc/wwwgps/6. http://www.geod.nrcan.gc.ca/ppp_e.php7. http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/SCOUT.cgi8. http://milhouse.jpl.nasa.gov/ag/9. http://www.ngs.noaa.gov/OPUS/10. http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html11. http://www.ngs.noaa.gov/gps-toolbox/12. http://www.navcen.uscg.gov/gps/modernization/default.htm13. http://www.usace.army.mil/publications/eng-manuals/

em1110-1-1003/toc.htm14. http://bowie.mit.edu/%7Esimon/gtgk/15. http://facility.unavco.org/software/processing/gipsy/gipsy_info.html16. http://www.gpsworld.com/gpsworld/17. http://www.navtechgps.com/

More Learning Sites on GPS


TUGAS GPS - 3

1. Absolute positioning : 4 satelit, 1 epok, pseudorange2. Absolute positioning : 5 satelit, 2 epok, pseudorange3. Relative positioning : 5 satelit, 2 epok, 2 receiver, pseudorange4. Relative positioning : 5 satelit, 2 epok, 2 receiver, jarak fase5. Relative positioning : 5 satelit, 2 epok, 2 receiver, pseudorange dan

jarak fase


Tuliskan persamaan pengamatan akhir dalam bentuk matriks. Waktu Penyelesaian = 1 minggu

Tuliskan persamaan pengamatan untuk kasus-kasus berikut(kesalahan orbit, ionosfir, troposfir dan multipath diasumsikan telahdireduksi dengan mekanisme lainnya) :

gps-3-upd.pdf

Documents

gps satellites

receiver gps

case of gps

positioning datum

kinematic positioning

positioning accuracy

differential positioning

positioning method