The effect of absolute humidity on GPS-positioning accuracy

Abstract

Мета. Дослідити вплив абсолютної вологості на точність визначення положення пунктів супутникових геодезичних мереж під час спостереження різної тривалості GPS-приймачами. Методика. Вихідними даними для дослідження послужили результати спостережень різної тривалості протягом 50 діб з квітня по жовтень місяць на 17 перманентних станціях Франції та 8 станціях Швейцарії. З цих спостережень сформовано чотири мережі з різною кількістю пунктів (від 8 до 5) та довжинами векторів (середня довжина сторін змінюється від 48,6 км до 5,1 км). Визначено значення абсолютної вологості, використовуючи середні значення температури повітря, атмосферного тиску та відносної вологості, отриманими за показниками з 6 по 22 год. Підібрані такі дні, коли значення абсолютної вологості, суттєво відрізнялися, тобто були найменшими та найбільшими. Опрацювання спостережень виконувалось програмним забезпеченням Trimble Business Center, змінюючи тривалість спостережень (4, 2, 1 год). Загалом нами опрацьовано 1200 сеансів. Порівнявши значення істинних та визначених за результатами спостережень планових координат пунктів мереж, отримані середні квадратичні помилки положення пунктів. Результати. Аналіз отриманих значень середніх квадратичних помилок положення пунктів, отриманих за результатами спостережень, показав що спостерігається тенденція погіршення точності визначення положення пунктів мереж за зростання абсолютної вологості. Порівнювалися значення СКП, отримані за найменших значень абсолютної вологості та найбільших для всіх мереж та різній тривалості спостережень. Таким чином, за зміни абсолютної вологості від 7,0 г/м3 до 13,8 г/м3 та тривалості спостережень 4 год, отримане середнє значення СКП зросло у 1,6 раза (від 4,4 мм до 7,0 мм), за тривалості сеансів 2 год значення СКП зросло у 1,8 раза (від 4,7 мм до 8,3 мм), а для тривалості 1 год – у 2,1 раза (від 6,1 мм до 13,0 мм). Наукова новизна та практична значущість. Середовище поширення супутникових сигналів і досі залишається одним з основних джерел помилок, зокрема тропосфера, у якій по суті “формується” погода. Хоча сьогодні більше увагу акцентують на прогнозуванні погоди використовуючи супутникові навігаційні системи, але існує і зворотний зв’язок. У дослідженні запропоновано враховувати метеорологічні умови, зокрема абсолютну вологість як спосіб зменшення впливу зовнішнього середовища на точність GPS-вимірювань, тобто підвищити їхню якість. Одержані результати проведених досліджень є досить достовірними, оскільки використано значну кількість даних, вони дають змогу рекомендувати вибирати такі дні для спостережень, коли значення вологості є мінімальними (не більшими ніж 12 г/м3). З практичного погляду – це можливість за відомими метеопараметрами, отриманими з прогнозу погоди, встановлювати доцільність виконання спостережень.

Objective. Investigate the effect of absolute humidity on the GPS accuracy for different durations of observation. Methods. The GPS observations with different durations over spring-autumn period at 17 permanent stations in France and 8 stations in Switzerland were chosen for initial data. These observations used four GPS networks with a different number of points (from 5 to 8) and lengths of vectors (average length varied from 5.1 to 48.6 km). Values of absolute humidity were determined using the average values of air temperature, atmospheric pressure, and relative humidity, obtained from 06:00 to 22:00. For our investigation we selected only those days when absolute humidity varied significantly. The observations were processed by the Trimble Business Center software, changing the duration of the observations (1, 2, 4 hours). In total, 1.200 sessions were processed. By comparing the values of true coordinates of the network points and those determined by the results of observations, we obtained the RMS (rootmean- square) errors of the positions of the points. Results. The analysis of RMS position errors showed that there is a tendency for deterioration of the point’s position accuracy in the network when the absolute humidity is increasing. The values of the RMS, obtained at the lowest and highest values of absolute humidity, for all networks and the different durations of observations were compared. Thus, when the absolute humidity changed from 7.0 g/m3 to 13,8 g/m3 for the observation duration of 4 hours, the average values of RMS increased 1.6 times (from 4.4 mm to 7.0 mm), for the sessions of 2 hour duration the value of RMS increased 1.8 times (from 4.7 mm to 8.3 mm), and for a 1 hour duration – 2.1 times (6.1 mm to 13.0 mm). Scientific novelty and practical significance. The environment of satellite signals propagation remains one of the main sources of errors, in particular in the troposphere, which, in essence, “forms” the weather. Although today more attention is focused on weather forecasting using satellite navigation systems, there is also an inverse problem. The study suggests meteorological conditions, specifically absolute humidity, should be considered to increase the accuracy of GPS-measurements. The obtained results of the studies are quite reliable, since a large amount of data is used. It is advisable to choose the days for GPS observations, when the moisture content is minimal (no higher than 12 g/m3). From a practical point of view – the possibility of using observable meteorological parameters obtained from the weather forecasts are feasible.