Mire képesek az olcsó GPS vevõk?1


Takács Bence - Gáspár Péter

BME Általános és Felsõgeodézia Tanszék

bence@agt.bme.hu

2001. augusztus


Bevezetés

Ebben a tanulmányban a kereskedelmi forgalomban 50-100 ezer forintért kapható navigációs GPS vevõkkel foglalkoznuk . Egy korábbi vizsgálat során az abszolút helymeghatározás pontosságát elemeztük a SA kikapcsolásának tükrében [1]. Akkor a vevõk által számított koordinátákkal kapcsolatban felmerült a kérdés, hogy a vevõ belsõ szoftvere milyen algoritmusok szerint számítja a helyzet-adatokat. Geodéziai és térinformatikai vevõk esetén viszonylag egyszerûen megoldható, hogy a vevõ adatai közül egyszerre rögzítsük mind a mérési eredményeket (fázismérési adatokat és pszeudótávolságokat), mind a számított pozíciókat. A mérési eredményekbõl alkalmas szoftver segítségével utófeldolgozással kiszámíthatjuk a vevõ helyzetét és ezt összehasonlíthatjuk a vevõ szoftvere által számított adatokkal. Navigációs vevõk esetén ez az összehasonlítás nem végezhetõ el, hiszen a vevõk kézikönyve szerint a mérési adatok nem érhetõk el.

A tanulmányban bemutatjuk, hogy a GARMIN kézi navigációs vevõk esetén hogyan tudtunk hozzáférni a nyers mérési eredményekhez. Meglepõ eredmény volt, hogy a vevõnk pszeudótávolságok mellett fázismérési adatokat is elõállított. Ez azt jelenti, hogy elviekben nincs akadálya a GARMIN kézi vevõket bizonyos geodéziai feladatok elvégzésére használni. A következõkben bemutatjuk az elsõ kísérleti méréseket és a technológia korlátait. Hangsúlyozni szeretnénk, hogy ezt a módszert a GARMIN cég hivatalosan nem támogatja és az eredményekért sem vállal felelõsséget!
 

Programok a mérési eredmények rögzítésére

A GARMIN vevõk - az összes kézi vevõhöz hasonlóan - megfelelõ kábel segítségével csatlakoztathatók a számítógép soros portjához. A vevõn különbözõ kommunikációs felületeket állíthatunk be [2], pl NMEA, TEXT, GARMIN ... Az elsõ két esetben a vevõ a megfelelõ üzeneteket folyamatosan küldi ki a kábelen, melyet egy Terminal Emulator, vagy hasonló program segítségével olvashatunk, illetve rögzíthetünk. Ez egyirányú kommunikáció (eltekintve attól az esettõl, amikor ugyanezen a kábelen differenciális korrekciókat juttatunk a vevõbe). A GARMIN felület kétirányú, interaktív kommunikációt jelent: a számítógép megfelelõ parancsára a vevõ válaszol. Ezt a felületet használjuk pl. az útvonalpontok le- és feltöltésére. A GARMIN vevõ "szervíz kódja" útján a GARMIN felületen adott megfelelõ parancsra a vevõ kiküldi a nyers mérési adatokat. Ehhez ismerni kell a vevõ protokollját, amelynek leírása megtalálható a cég honlapján [3].

A nyers mérési eredmények rögzítésére kész programok is vannak, amelyek közül az alábbi kettõ az InterNeten elérhetõ:

Az elsõ WINDOWS OS alatt fut, a program demo változata letölthetõ a nottinghami egyetem honlapjáról. A teljes verzió 100 angol fontért rendelhetõ meg. Megjegyzem, hogy a teljes verzió nem csak az adatok rögzítésére alkalmas, hanem egy teljes GPS feldolgozó programot is tartalmaz!  A második program teljesen ingyenes. A C nyelven írt forráskód is elérhetõ a WINDOWS és LINUX OS alá fordított programmal együtt. Vizsgálataink során ezt a programot használtuk az adatok gyûjtéséhez.
 
 
1.ábra. Mérés GARMIN eTrex vevõvel állami alapponton

Az elsõ kísérleti mérések

Garmin eMap vevõ vizsgálata

A penci Kozmikus Geodéziai Obszervatórium területén található kalibráló hálózat egyik pontjára helyeztük a vevõ külsõ antennáját, majd 3 alkalommal 30 perces méréseket végeztünk. A méréseket mind a penci, mind a budapesti permanes állomás adataival feldolgoztuk. Mivel a Garmin vevõ ismert ponton mért, ezért a "mért" vektor összehasonlítható az ismert koordinátákból számítható vektorral. Az utófeldolgozáshoz GeoGenius 1.6 szoftwert használtunk. Az eredményeket az alábbi táblázatban foglaltuk össze:
 

1. táblázat. GARMIN eMap vevõ és a budapesti permanens állomás méréseibõl számított vektorok hibája (a vektor hossza 38 km!)
. .
mért-ismert vektor eltérése [m]
 .
mérés kezdete
mérés vége
észak
kelet
magasság
ratio
9:45
10:15
+0.24
-0.47
-0.42
1.8
13:55
14:25
-0.20
-0.50
-0.01
2.1
14:25
14:55
-0.17
-0.50
0.26
0.0

 
2. táblázat. GARMIN eMap vevõ és a penci permanens állomás méréseibõl számított vektorok hibája (a vektor hossza 12 m)
. .
mért-ismert vektor eltérése [m]
 .
mérés kezdete
mérés vége
észak
kelet
magasság
ratio
9:45
10:15
 +0.01
+0.05
-0.06
0.0
13:55
14:25
 -0.07
-0.04
+0.15
 0.0
14:25
14:55
 +0.05
+0.06
-0.02
 2.1

Garmin eTrex vevõ vizsgálata

Kísérleti méreseket végeztünk egy GARMIN eTrex vevõvel is. Referenciavevõként minden esetben egy Geotracer geodéziai vevõt használtunk. Az elõzõekhez hasonlóan a GARMIN vevõ is ismert ponton mért, így a "mért" és az ismert vektor különbségeként valódi hibákat kaptunk.
 

3. táblázat. GARMIN eTrex vevõ és Geotracer geodéziai vevõ méréseibõl számított vektorok hibája
.
.
 ismert-mért vektor eltérése [m] .
mérési idõ
vektor hossza [m]
észak
kelet
magasság
ratio
30 perc
794
-0.07
+0.01
+0.14
1.9
60 perc
8579
+0.11
-0.12
-0.14
3.0

Érdekesnek tartjuk megjegyezni, hogy hasonló elrendezésben 60 percig mértünk egy rövid (mindössze 8.60 m hosszú) vektort. A mérési eredményekbõl számított vektor 18 cm-rel hosszabb volt a hibátlan értéknél, ugyanakkor a ratio érték 8.7-re adódott. Meg kell jegyezni, hogy a vevõktõl kb. 30 méterre, kelei irányba egy magas fa található, ennek a zavaró hatása nem hagyható figyelmen kívül.

Az eTrex vevõ közelében (attól néhány méterre)  minden alkalommal felállítottunk egy Geotracer geodéziai vevõt is - sajnos, a külpontosság elemeit nem mértük meg - és a két geodéziai vevõ méréseibõl kapott ratio értékét összehasonlítottuk az eTrex/Geotracer vevõk méréseibõl kiszámított ratio értékkel. Azt vártuk, hogy a két vektor esetében hasonló ratio értéket kapunk, hiszen a mérési körülmények azonosnak tekinthetõk. Várakozásainkkal ellentétben a két geodéziai vevõ esetén mindig jóval magasabb értéket kaptunk: 32.0 illetve 57.2 volt, szemben az 1.9 illetve 3.0 értékkel.

További vizsgálatok

Az elõzõ két pontban egy-egy vevõ vizsgálatának eredményeit mutattuk be. Ezenkívûl megvizsgáltunk egy GARMIN 12 és egy másik eMap vevõt is. Sajnos ezeknél a vevõknél a mérések során a vevõ gyakran elvesztette a mûholdakkal a kapcsolatot; a fázismérést terhelõ ciklusugrásokat a feldolgozó szoftwer nem tudta kezelni. Valószínûsíthetõ, hogy a problémát a vevõ belsõ processzorának nm megfelelõ teljesítménye okozza. Egyelõre nem tudjuk, hogy ez a probléma csak az egyes vevõkre vagy vevõtípusokra is jellemzõ, illetve hogyan küszöbölhetõ ki.

2. ábra. Amikor a vevõ rendszeresen elveszti a mûholdakkal a kapcsolatot ... A kék "vonal" a GARMIN vevõ mérését mutatja, a rengeteg szakadás a hiányzó epochák helye. A zöld és a piros függõleges vonalak a ciklusugrásokat jelzik: a zöld vonal helyreállított, a piros vonal helyre nem állítható ciklusugrást jelent.

Összefoglalás

Bemutattuk, miként lehet a GARMIN navigációs vevõk nyers mérési eredményeit (nem csak pszeudótávolságokat, hanem fázismérési eredményeket is) rögzíteni. Bizonyos korlátozások mellett ezek a vevõk geodéziai feladatok elvégzésére is alkalmasak. Bemutattuk az elsõ kísérleti mérések eredményeit és a mérések tapasztalatait. Több kísérlet bizonyította, hogy a GARMIN navigációs vevõkkel meghatározott vektorok hibája esetenként 20 cm-nél kisebb is lehet. Sajnos, több kísérlet azt is mutatta, hogy ez a pontosság nem minden vevõvel érhetõ el, illetve a jó eredmények nem kellõen stabilak.

Valószínûleg a bemutatott módszer geodéziai feladatok megoldására csak erõs megszorítások mellett alkalmazható. Sokkal biztatóbb a navigációs vagy térinformatikai alkalmazás, ahol a pontossági és megbízhatósági igények kevésbé szigorúak.

Hivatkozások

[1] Takács B.: A GPS pontossága a SA kikapcsolása után
[2]  GARMIN eTrex Manual
[3]  GARMIN 25LP Manual
[4]  GRINGO: GPS RINEX Genarator
[5]  Obtaining raw data from some GARMIN units


1 A Magyar Földmérési, Térképészeti és Távérzékelési Társaság 2001. évi vándorgyûlésen elhangzott elõadás írásos változata