Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

MJU

Ik heb een GPS module waarmee ik via een bepaalde zin volgende waarden krijg:

Antenna altitude above/below mean sea level (geoid) = 1.3meter
Geoidal separation (Diff. between WGS-84 earth ellipsoid and mean sea level.  -=geoid is below WGS-84 ellipsoid)
Meters  (Units of geoidal separation) = 47.3 meter.

Nu is het voor mij een hele zoektoch al geweest om uit te klaren wat dit nu eigenlijk is.

Kort samengevat en sterk vereenvoudigd:

-De aarde is niet mooi rond, ze is meer "pokdalig".
-Er zijn kaarten beschikbaar om voor elke plek op aarde te zien hoe hoog men tov het middelpunt van de aarde zit (EGM2008 geoid undulation)
-Om dit rekenkundig te vergemakkelijken heeft men deze pokdalige vorm herleidt tot een ellips. (earth ellipsoid)
-Het gemiddelde zeeniveau waar tegenover de hoogte van een plaats beschreven wordt is ook niet zo stabiel
-In België worden de hoogtes bepaald ten opzichte van het standaardpeil dat bepaald is in Oostende.

Ik krijg dus voor de huidige locatie dat de antenne van mijn GPS op 1.3m hoogte is.
Voor het verschil tussen het zeeniveau en de locatie waar ik zit is een verschil van: 47.3meter.
Dus in mijn ogen zit ik nu op 47.3 - 1.3 = 48.6meter boven zeeniveau?

Ik twijfel enorm aan hoe ik dit interpreteer.
Er is zoveel info over te vinden met termen die ik maar half begrijp, dat ik jullie hulp vraag.

Als er een van de beweringen niet juist is, ga ik altijd fout zitten met mijn berekening.

De bron voor deze waarden krijg ik van een GPS-module die mij volgende gegevens geeft:

Global Positioning System Fix Data. Time, position and fix related data for a GPS receiver.
eg2. $--GGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx
hhmmss.ss = UTC of position

llll.ll = latitude of position

a = N or S

yyyyy.yy = Longitude of position

a = E or W

x = GPS Quality indicator (0=no fix, 1=GPS fix, 2=Dif. GPS fix)

xx = number of satellites in use

x.x = horizontal dilution of precision

x.x = Antenna altitude above mean-sea-level

M = units of antenna altitude, meters

x.x = Geoidal separation

M = units of geoidal separation, meters

x.x = Age of Differential GPS data (seconds)

xxxx = Differential reference station ID

Is er iemand die mij hierbij op de juiste weg kan zetten?
Het enige dat ik wil bereiken is dat ik weet hoe hoog ik boven "zeeniveau" zit.

Alvast bedankt!

Benm

Ik heb een GPS app (gps status, android) waarbij ik kan kiezen voor hoogte vs WGS84 of MSL. Het geeft 98 meter boven MSL en 98 meter boven WGS. Dit is op de 15e verdieping in utrecht, grond ligt hier ongeveer op zeenivo (1 a 2 meter erboven volgens het hoogtebestand).

Let trouwens wel op dat GPS hoogte niet heel erg nauwkeurig is, afwijkingen van 10 meter of meer zijn niet ongebruikelijk.

MJU

Benm schreef: Ik heb een GPS app (gps status, android) waarbij ik kan kiezen voor hoogte vs WGS84 of MSL. Het geeft 98 meter boven MSL en 98 meter boven WGS. Dit is op de 15e verdieping in utrecht, grond ligt hier ongeveer op zeenivo (1 a 2 meter erboven volgens het hoogtebestand).

Let trouwens wel op dat GPS hoogte niet heel erg nauwkeurig is, afwijkingen van 10 meter of meer zijn niet ongebruikelijk.

Hey bedankt alvast voor de info.. zelfs daar op grote hoogte

Het is me ook wel te doen om te zien of ik heel dit geval goed begrepen heb.

Als er fouten in mijn interpretatie staan hoor ik die graag.

WillemB

Die 47 meter is de correctie voor nederland tov virtuele referentie gps reken bol.

Een GPS heeft daar een tabel voor aan boord, dus voor nederland,
rekent het de werkelijke waarde om aan de hand van deze tabel, en komt dan op 1,3 meter uit.

In sommige type GPS kan je die waarde kalibreren, zo ook in die ik heb,
dan kan ik de werkelijke hoogte opgeven, en dan wordt dat gebruikt als referentie.

MJU

WillemB schreef: Die 47 meter is de correctie voor nederland tov virtuele referentie gps reken bol.

Een GPS heeft daar een tabel voor aan boord, dus voor nederland,
rekent het de werkelijke waarde om aan de hand van deze tabel, en komt dan op 1,3 meter uit.

In sommige type GPS kan je die waarde kalibreren, zo ook in die ik heb,
dan kan ik de werkelijke hoogte opgeven, en dan wordt dat gebruikt als referentie.

Ok dank u, dus als ik het goed begrijp doet de GPS dat aan de hand van gegevens die de fabrikant meegeeft in een tabel?
Het probleem is dat niet met een GPS werk maar met een GPS module.
Een kleine sensor die enkel NMEA zinnen genereert. (zoals: $GPGGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh)

Het zijn heel basic gegevens die volgens een bepaald protocol aangeleverd worden.
Hierin zijn twee parameters die ik denk te kunnen gebruiken om mijn echte hoogte te bepalen.

Maar om dat deftig te kunnen doen heb ik theorie nodig.
Bekijk het alsof ik mijn eigen GPS fabrikant ben die enkel wat rauwe gegevens van de satellieten kan ontvangen.

.

WillemB

Ja, die van mij ook, is een kale module die NMEA codes afgeeft, zoals bij jou, of een code gemaakt
door de fabrikant. Ik heb dan ook allen een zeer oude MS-DOS interface, om er mee te communiceren.

vandaar mijn hoogte ook 47 meter is, ik kan switchen, tussen intern referentie of opgegeven referentie.

Ik heb een scherm vol met getallen.., die steeds worden bijgewerkt, idem met de datum,
die wordt ook terug gerekend naar 1980.

Ik gebruik die module als tijd referentie.

jkien

Benm schreef: Ik heb een GPS app (gps status, android) waarbij ik kan kiezen voor hoogte vs WGS84 of MSL. Het geeft 98 meter boven MSL en 98 meter boven WGS.

Daar moest waarschijnlijk staan "98 meter boven WGS en 51 meter boven MSL"? Dezelfde app geeft hier in Amsterdam tenminste WGS = MSL + 47, net als bij WillemB. Het verschil WGS-MSL is overal in Nederland ongeveer gelijk, volgens een kaartje in wikipedia (klik).

Benm

Klopt inderdaad, 51 meter boven MSL, wat goed lijkt te kloppen. Dat getal krijg ik overigens alleen vlakbij een raam of op het balkon en na een paar minuten fix, daarvoor fluctueert het tot onzinnige waarden als 15 meter terwijl de lat/long coordinaten wel redelijk betrouwbaar zijn.

Of een eenvoudige gps module de hoogte boven MSL kan bepalen valt te bezien: WGS84 is een eenvoudig model dat via een berekening op basis van lengte- en breedte coordinaten een correctie geeft ten opzichte van de cirkelvormige banen van de gps sats. Voor MSL heb je een lookup table nodig. Dit hoeft geen bijzonder grote tabel te zijn, maar wel dusdanig groot dat het niet zomaar te implementeren is in de eenvoudigste microcontrollers.

Stel dat je het per 100 km2 een waarde wilt geven van 1 byte en alleen het land opneemt in de tabel zit je toch al aan ca 16 kB. Uiteraard peanuts in termen van het geheugen van een smartphone of iets degelijks, maar voor iets als een arduino is dat toch het halve flashgeheugen, en voor een simpele PIC of ATTiny zelfs meer dan er aanwezig is.

jkien

Hoogte (z) en positiemeting (x,y) op basis van gps met smartphone op een vaste plaats bij het raam, gedurende 6 uur. De hoogte varieert 10 meter in de loop van anderhalf uur.

: hoogte2.png (10.28 KiB) 3228 keer bekeken

Benm

Vrij typisch resultaat. Het laat ook goed zien hoe gps doet waar het voor gemaakt is (lat/long nauwkeurig bepalen), terwijl hoogste slechts een extratje is.

Het is wel interessant om te zien hoe de nauwkerigheid zich gaat vergelijken met galileo, wat een lat-long positie met een nauwkeurigheid van een centimeter kan bereiken (met een licensed prodcut, anders is het ca 1 meter).

Aardig is ook dat we straks 4 simulatne systemen hebben (gps, glonass, galileo en het chinese systeem), wellicht valt er meer precisie te winnen door deze te combineren. Zeker glonass zit al in veel producten gezien rusland een flinke importheffing (ik dacht 25%) heeft op apparaten die wel gps maar geen glonass ondersteunen.

jkien

De drift van z en x duurde veel langer dan ik had verwacht, anderhalf uur. Als je slechts een paar minuten de hoogte meet dan lijkt de waarde vrij constant, maar dat is dus onbetrouwbaar.

Er bestaat een app, 'GPS averaging', die de metingen vanaf het begin middelt, maar die zou hier weinig verbetering opgeleverd hebben.

WillemB

De weg die de radio signalen afleggen is niet constant, de ionosfeer is in beweging.
Er is zelfs enige dag en nacht ritme ook bij GPS, soms wel tot 100 nSec.
Wat al een verschil oplevert van 30 meter. De radio signalen volgen niet altijd het rechte pad.

Ik heb een vaste opstelling van een gps antenne buiten en module van Rockwell binnen.
geeft alleen ruwe GPS data, daar kan je ook je hoogte kan vast zetten, wat al
een hele verbetering oplevert in positie. Geeft een mooi inzicht in de werking.

Daarnaast varieert ook het aantal zichtbare satellieten, en de hoek waaronder
ze verschijnen, onzekerheden genoeg.

In de waarnemingen zie ik net zoveel variatie in positie als hoogte,
variaties in positie tot 30 meter zijn heel normaal. In de moderne GPS software
wordt dit allemaal gecorrigeerd. Hoogte variaties vallen onder de zelfde onzekerheden
als de positie.

Benm

Afgezien van ionosfeer en reflecties zit het systeem sowieso veel complexer in elkaar.

Om positie te bepalen moet je een aantal zaken weten:

- afstand tot de sat (tijdsverschil met interne klok)
- positie van de sat (azimuth/elevatie, uitrekenen)
- identiteit van de sat

Dat lijkt op zich niet zo moeilijk, maar het heeft een paar grote problemen: de exacte positie van de gps sats is niet nauwkeurig voorspelbaar. Deze informatie (ephermis) wordt verzonden door de sats, maar op een extreem lage bitrate. Daarnaast is er data die verstoringen in kaart bregnt (almanac) die je ook nodig hebt. Het binnenhalen van de hele almanac en ephermis duurt pakweg een kwartier, als je tenminste een kwartier lang zicht hebt op 1 sat, anders kun je opnieuw beginnen.

Een complete cold start van een gps systeem zou in de praktijk pakweg 20 minuten duren (vereist 12.5 minuten zich op een enkele sat, en dan heb je lang niet altijd gezien ze over de horizon verdwijnen).

Er is echter wel een shortcut om dat veel sneller te doen: een aanname. Die aanname is initieel dat je je op de grond bevindt, en vervolgens niet de hele almanac en ephermis nodig hebt om je positie op het oppervlak te bepalen. Door te 'gokken' dat je op de grond staat kun je aannames maken over de hoeken waaronder je de sats ziet, en daarmee de afstanden.

Dit maakt dat een gps systeem als standalone navigatie in de auto een fix realiseert in pakweg een minuut.

De ultieme oplossing is om almanac, ephermis en nauwkeurige tijd te verkrijgen via een andere weg, bijvoorbeeld internet. Deze 'assisted gps' oplossing zorgt ervoor dat je met een smartphone in de openlucht al in pakweg 10 seconden een fix hebt voor lat/long.

Om de hoogte nauwkeurig te krijgen heb je echter ook de exacte gps tijd nodig. Deze is lastiger te verkrijgen: via NTP krijg je een aardig nauwkeurige tijd, maar de echt nauwkerige vereist vergelijken van signalen van diverse sats. Dit vereist het nodige meten en synchroniseren, waardoor het lang duurt voor je de hoogte goed in beeld hebt.

Voor het idee: via NTP krijg je een tijd die correct is in de orde van een milliseconde. Dat lijkt heel nauwkeurig, maar als je er positie op moet bepalen is het een afwijking van 300 kilometer. Door de uitgezonden tijdcodes van een paar sats te vergelijken bepaal je de ware gps tijd, maar het kost enige tijd om dit goed te krijgen.

jkien

Kan de bepaling van hoogte (z) en positie (x,y) verbeterd worden door te middelen over een slim gekozen tijdsinterval? Een langdurige gps-registratie op mijn smartphone vertoont meestal een begin met drift, dan een plateau, en weinig ruis. Waar begint het plateau met een kleine standaarddeviatie? Afgaande op de drie registraties in onderstaande grafiek zou het tijdsinterval kunnen beginnen na de eerste anderhalf uur, en stoppen aan het eind, of bij een incidentele gps-misser zoals hier op t=22 h. De standaarddeviatie van de plateauwaarde is dan minder dan 1 meter.

Maar als de verschillende plateauwaardes van de drie registraties worden samengenomen is de standaarddeviatie ongeveer 2 m. Daardoor is de standaarddeviatie uiteindelijk weinig beter dan bij blindelings middelen over de totale tijd.

Het gps-resultaat kan ook vergeleken worden met een referentiewaarde. Het zolderraam bevindt zich 14 m boven NAP (d.w.z. 13.5 m boven straatniveau, en straatniveau is 0.5 m boven NAP, volgens de ahn-website. Maar is NAP precies gelijk aan MSL, het zeeniveau van gps?). Dat verschilt 3 m met de gps-hoogte. De (x,y) positie verschilt ongeveer 10 meter met de (x,y) positie volgens google earth. Maar hoe nauwkeurig geeft google earth de positie van een huis aan?

: hoogte3.png (12.52 KiB) 3228 keer bekeken

De plotselinge gps-misser op t=22 h, die lang doorwerkt, is een raadsel. In de omgeving van de smartphone gebeurde er niets. Misschien was het een storing van de app, of misschien was er iets met het gps-signaal.

Opmerkelijk is trouwens dat de standaarddeviatie van de gps-hoogte in dit praktijkvoorbeeld ongeveer even groot is als de standaarddeviatie van de horizontale positie, dus niet groter zoals theoretisch verwacht werd.

Benm

Ik vermoed dat deze 'misser' te maken had met mis-synchronisatie van de gps tijd en de gps tijd die de telefoon bijhield. X en Y coordinaten herstellen zich relatief snel omdat de positie van de sats nog wel bekend is, maar voor de Z component moet de klok weer synchroniseren en dat kost blijkbaar een stuk meer tijd.

Dat het voor de x en y coordinaten sneller vlot trekt komt door de aanname dat je je bevindt op een bolschil, terwijl voor de z coordinaat de positie binnen een hele bol berekend moet worden (uiteraard binnen zekere grenzen, maar het komt in de praktijk voor dat er kilometers afwijking van NAP zijn bij gebruik in de bergen of bijvoorbeeld aan boord van vliegtuigen. In het laatste geval kan de voorkeur zijn om x en y via gps te bepalen, maar z barometrisch.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?

Re: Hoe hoog zit ik (uit GPS data)?