07 gps under extrem condition hea

Andreas 2009

GPS Observation During Extreme Environmental Condition

Andreas, 2009

3 Days Advance Training in : GPS Data Processing

OVERVIEW

GPS SurveysExtreme

Environmental Conditions

Degrade Accuracies of Position

Even though GPS can be used in any environmental condition (as long as we can observe the signal, but extreme environmental condition may degrade accuracies

OVERVIEW

Extreme Environmental Conditions

Can we handler ?

Yes & NoHow if Yes ?

No then Ignore

Some observation strategy can handler the extreme environmental condition and some other may not

Thunderstorm

Heavy rain

Imaging facilities Potentially

multipath facilities

CanopyExtreme Topography

Extreme Environmental Condition

High ionospheric activity

Extreme Environmental

Condition

Troposphere effect

Extreme Obstruction

C a n o p y

High Ionospheric Activity

• Aktivitas ionosfir tergantung pada aktivitas matahari.• Aktivitas matahari bisa dikarakterisir dengan jumlah sunspot yang nampak pada

permukaan matahari. Semakin banyak jumlah sunspot yang ada semakin tinggi aktivitas matahari, dan sebaliknya.

• Dari siklus 11-tahunan ini, sebagai contoh jumlah sunspot adalah minimum pada tahun 1986 dan maksimum pada tahun 1991.

• Pertimbangkan fakta di atas dalam merencanakan strategi pengamatan GPS.

Jum

lah

suns

pot

Tahun

± 11 tahun

1986

1991

Hasanuddin Z. Abidin, 1995


0

50

100

150

200

250

46 50 80 9048 5452 6056 58 6462 7066 68 7472 76 78 8482 86 88

Smoothed monthly mean sunspot numbers

January 1946 - July 1988

Sun

spot

num

ber

Year



• Scintillation adalah variasi temporal berfrekuensi tinggi pada amplitudo dan fase dari sinyal, yang disebabkan adanya ketidak-teraturan (irregularities) pada lapisan ionosfir.

• Scintillation umumnya terjadi pada daerah sepanjang garis ekuator geomagnetik bumi, yaitu meliputi wilayah 30 derajat pada kedua sisi dari garis ekuator tersebut. Scintillation juga umum terjadi di daerah auroral sekitar kutub.

• Scintillation di daerah ekuator umumnya mempunyai efek yang maksimum dalam selang waktu kira-kira satu jam setelah matahari terbenam sampai tengah malam [Klobuchar, 1991]. Oleh sebab itu untuk pengamatan yang sangat teliti di daerah ekuator, selang waktu di atas sebaiknya tidak digunakan.

• Efek scintillation kurang berarti dari bulan April sampai Agustus pada daerah bujur Amerika, Afrika, dan India; tapi maksimum di daerah Pasifik. Dari bulan September sampai Maret, situasinya terbalik.

• Scintillation dapat meningkatkan jumlah cycle slip, dan juga akan mempersulit proses penentuan ambiguitas fase dari sinyal.


Ionospheric Handler

Gunakan data GPS dari dua-frekuensi, L1 dan L2.Lakukan differencing hasil pengamatan.Perpendek panjang baseline.Lakukan pengamatan pada pagi atau malam hari.Gunakan model prediksi global ionosfir (untuk data GPS satu frekuensi) seperti model Bent dan Klobuchar.Gunakan parameter koreksi yang dikirmkan oleh sistem Wide Area Differential GPS (WADGPS).

Ada beberapa cara yang dapat diterapkan untuk mereduksi besarnya efek ionosfir :Satelit GPS

LapisanIonosfir

PengamatBeberapa metode di atas dapat diterapkan sekaligus secara simultan


Troposphere Effect

• Disebabkan oleh refraksi pada lapisan atmosfir netral yang dinamakan troposfir.

• Lapisan troposfir berkisar dari permukaan bumi sampai ketinggian 9-16 km, dan tebalnya bervariasi dengan tempat dan waktu.

• Pseudorange dan fase, kedua-duanya diperlambat oleh troposfir.

• Pada frekuensi sinyal GPS (< 30 GHz), besarnya bias troposfir tidak tergantung pada frekuensi (non-dispersif).

Jadi besarnya tidak dapat diestimasi dengan pengamatan pada 2 frekuensi.

• Besarnya bias troposfir : sekitar 2.3 m di arah zenith, sekitar 20 m pada 10 di atas

horison.


Satelit GPS

LapisanIonosfir

Pengamat

LapisanTroposfir

Troposphere Effect

Satelit GPS

LapisanIonosfir

Pengamat

LapisanTroposfir

• Bias troposfir biasanya dipisahkan menjadi komponen kering (sekitar 90% dari bias total) dan komponen basah.

• Besarnya komponen kering dapat diestimasi dengan baik berdasarkan data meteorologi (temperatur, tekanan, dan kelembaban) di permukaan bumi; sedangkan besarnya komponen basah tidak.

• Dengan menggunakan data meteorologi di permukaan bumi, besarnya komponen kering dapat diestimasi sampai dengan ketelitian sekitar 1%. Sedangkan besarnya komponen basah dapat di model sampai ketelitian 3-4 cm [Wells et al., 1986].


Troposphere Handler

• Lakukan differencing hasil pengamatan.• Perpendek panjang baseline.• Usahakan kedua stasion pengamat berada pada

ketinggian serta kondisi meteorologis yang relatif sama.

• Gunakan model koreksi standar troposfir seperti model Hopfield, Sastamoinen, Marini, dll.

• Gunakan model koreksi lokal troposfir.• Gunakan pengamatan Water Vapour Radiometer (WVR)

untuk mengestimasi besarnya komponen basah.• Estimasi besarnya parameter bias troposfir, biasanya

dalam bentuk zenith scale factor untuk setiap lintasan satelit.

• Gunakan parameter koreksi yang dikirmkan oleh sistem Wide Area Differential GPS (WADGPS).

Ada beberapa cara yang dapat diterapkan untuk mereduksi besarnya efek troposfir :Satelit GPS

LapisanIonosfir

Pengamat

LapisanTroposfir


Case of Troposphere effect (heavy rain)

NO RAIN vs HEAVY RAIN Repeatabilitas

SMG1-AY15 X Y Z X Y Z

5 kilo -2208457.1087 5933244.9812 -773015.3286 no rain -0.0050 0.0258 -0.0124

1 jam-an -2208457.1037 5933244.9554 -773015.3162 rain -0.0224 -0.0096 0.0170

-2208457.0813 5933244.9650 -773015.3332 no rain 0.0204 -0.0026 -0.0438

-2208457.1017 5933244.9676 -773015.2894 rain 0.0079 0.0178 0.0358

-2208457.1096 5933244.9498 -773015.3252 no rain -0.0161 -0.0044 -0.0365

-2208457.0935 5933244.9542 -773015.2887 rain

Case of Troposphere effect (extreme topography)

EXTREM TOPOGRAFI Repeatabilitas

CKTL-PNCK X Y Z X Y Z

4 kilo -1940476.5873 6026184.7172 -789091.7823 0.0093 -0.0184 0.0058

-1940476.5966 6026184.7356 -789091.7881 -0.0057 0.0138 -0.0087

1 jam-an -1940476.5909 6026184.7218 -789091.7794 -0.0010 -0.0078 0.0023

-1940476.5899 6026184.7296 -789091.7817 -0.0104 -0.0033 -0.0019

-1940476.5795 6026184.7329 -789091.7798 0.0155 0.0105 0.0118

-1940476.5950 6026184.7224 -789091.7916 0.0021 -0.0183 -0.0029

-1940476.5971 6026184.7407 -789091.7887 -0.0079 0.0127 -0.0007

-1940476.5892 6026184.7280 -789091.7880 -0.0117 0.0030 -0.0114

-1940476.5775 6026184.7250 -789091.7766

extreme Obstruction

Case of extreme Obstruction

EXTREM OBSTRUCTION Repeatabilitas

PSCA-KPO1 X Y Z X Y Z

7 kilo -1913273.3000 6036322.6113 -766789.0102 -0.0079 -0.0141 -0.0220

2 jam-an -1913273.2921 6036322.6254 -766788.9882 -0.0041 0.0094 0.0115

-1913273.2880 6036322.6160 -766788.9997 0.0015 0.0023 -0.0154

-1913273.2895 6036322.6137 -766788.9843 -0.0161 0.0094 0.0064

-1913273.2734 6036322.6043 -766788.9907 0.0170 -0.0189 -0.0008

-1913273.2904 6036322.6232 -766788.9899

Potentially Multipath Facilities


Satelit GPS

4

reflektor antena

L = Sinyal Langsung

P = Sinyal Pantulan

Efek multipath = resultan (L + P) - L

• Multipath adalah fenomena dimana sinyal dari satelit tiba di antena GPS melalui dua atau lebih lintasan yang berbeda.

• Perbedaan jarak tempuh menyebabkan sinyal-sinyal tersebut berinterferensi ketika tiba di antena

kesalahan hasil pengamatan.


• Bidang reflektor yang menyebabkan multipath bisa berupa bidang horisontal, vertikal, maupun miring, seperti jalan, bangunan dan gedung, permukaan air, dan kendaraan.

• Tidak ada model umum untuk menentukan besarnya efek dari multipath.• Besarnya efek dari multipath tergantung pada beberapa faktor seperti jenis dan

posisi reflektor, posisi relatif satelit, jarak reflektor ke antena, panjang gelombang sinyal, kekuatan sinyal, dll.

• Sinyal dari satelit berelevasi rendah lebih mudah mengalami multipath.• Efek multipath mempunyai ‘signature’

yang bersifat sinusoidal.• Efek multipath pada pseudorange lebih

besar dari pada efeknya pada data fase.• Efek multipath pada satelit tidak terlalu

kritikal dan biasanya dapat diabaikan. Waktu

Residual



10

5

0

-5

-100 100 200 300 400 500

Waktu (detik)

Kesa

laha

nps

eudo

rang

e(m

)



-1

-.5

0

.5

1

1.5

11 11.2 11.4 11.6 11.8 12-2

-1.5

-1

-.5

0

.5

1

11 11.2 11.4 11.6 11.8 12

HAMILTON - UNB, SV#12 - SV#9 HAMILTON - UNB, SV#14 - SV#6

rawraw

time average

time average

Local time of the day (hours) Local time of the day (hours)

Am

bigu

ity v

aria

tions

(nar

row

-lane

cyc

les)


Hindari lingkungan pengamatan yang reflektif.Gunakan antena GPS yang baik dan tepat. Gunakan bidang dasar antena (ground plane) sebagai penghalangdan pengabsorbsi sinyal pantul. Gunakan receiver yang secara internal (pada pemrosesan data) mempunyaikemampuan untuk ‘melawan’ multipath. Jangan gunakan satelit yang berelevasi sangat rendah. Ratakan data pengamatan(kadang-kadang berhasil).

Ada beberapa cara yang dapat diterapkan untuk mereduksi besarnya efek multipath :

4




Monopole Helix Spiral Helix Microstrip Choke Ring

Ada beberapa jenis antena GPS yang dikenal yang didesain salah satunya untuk menangkal efek multipath, yaitu : monopole atau dipole, quadrifilar helix (juga dinamakan volute), spiral helix, microstrip (juga dinamakan patch), dan choke ring.


15o15o

Imaging Facilities

Imaging adalah suatu fenomena yang melibatkan suatu benda konduktif(konduktor) yang berada dekat dengan antena GPS.

Radiasi dari antena yang sebenarnya akan menimbulkan arus induksipada benda konduktif yang reflektif tersebut :

benda tersebut akan membangkitkan pola radiasi tertentu, ia seolah-olah menjadi antena tersendiri ,menjadi ‘bayangan’ (image) dari antena yang sebenarnya.

Pola radiasi dari ‘kedua’ antena ini selanjutnya akan berinteraksi(coupling), dan resultan dari pola fase antena yang dihasilkan akan berbedadengan pola fase antena GPS yang seharusnya.

Akibatnya fenomena imaging ini akan mendistorsi pola fase antena yang seharusnya.


Imaging Facilities

4

Antena GPS

Coupling antaraantena dan ‘bayangan’ nya

Pola fase antenayang termasuk bayangannya

Pola fase antenayang seharusnya

‘Bayangan’ antenapada benda konduktif

(reflektor)


Imaging Facilities

Imaging akan merubah titik pusat fase antena :menyebabkan terjadinya kesalahan pada ukuran jarak.

Seperti halnya dalam kasus pergerakan titik pusat fase antena, efek dari imaging ini perlu diperhatikan dalam aplikasi penentuanposisi yang menuntut ketelitian tinggi (orde ketelitian mm).

Menurut [Tranquilla, 1986], karena fenomena imaging ini padaprinsipnya terjadi karena adanya penginduksian arus dari antenake suatu konduktor yang berada dekat dengan antena, maka efekimaging ini akan berkurang dengan semakin jauhnya konduktortersebut dari antena GPS.

Meskipun begitu menurutnya, dalam jarak beberapa puluh panjanggelombang (untuk GPS l(L1)=19.0 cm dan l(L2)=24.4 cm), efek imaging ini tidak boleh diabaikan, dan semua ‘bayangan’ (image) antena yang mungkin terjadi harus diperhitungkan.


Case of GPS on Imaging Facilities

NEAR IMAGING FCLT Repeatabilitas

SMG1-TPI1 X Y Z X Y Z

12 kilo -2211170.6572 5932967.9156 -766670.8327 -0.0028 0.0092 -0.0001

2 jam-an -2211170.6544 5932967.9064 -766670.8326 -0.0002 -0.0110 0.0012

-2211170.6542 5932967.9174 -766670.8338 0.0060 -0.0030 -0.0064

-2211170.6602 5932967.9204 -766670.8274 0.0049 0.0162 0.0088

-2211170.6651 5932967.9042 -766670.8362

Andreas 2009

E N D

07 gps under extrem condition hea

Documents

20093 days advance training

yes nohow if yes

meningkatkan jumlah

garis ekuator geomagnetik

meliputi wilayah 30

kira satu jam

perpendek panjang baseline

gunakan parameter koreksi