Mulige påvirkninger av byggevirksomhet rundt en permanent GNSS-stasjon - en tidsserieanalyse

Det har vært bygget mye i Bjørvika de siste årene. Hvilken påvirkning har det hatt på GNSS-mottakeren som er stasjonert på toppen av Operahuset?

Tekst og illustrasjoner: Per Helge Aarnes, Equinor

Studien bygger på en tidsserie av GNSS-observasjoner som strekker seg over nesten 13 år og inkluderer analyser både i observasjons- og koordinatdomenet. I observasjonsdomenet estimeres (intern programvare) flerveis-interferens direkte fra rå kode- og faseobservasjoner, noe som gjør analysen helt uavhengig av det geodetiske grunnlaget. Analysen i koordinatdomenet omfatter både en PPP- og en differensiell GNSS-løsning. Den ble utført i RTKLIB (2.4.3 b.34), og har som mål å fastslå om posisjonsnøyaktigheten har endret seg. Resultatene ble kryssvalidert ved hjelp av InSAR og Norges Geologiske Undersøkelse (NGU) sin nettjeneste «InSAR Norge».

Problemstilling

Hovedformålet med studien er å gjøre en endringsanalyse av ulike GNSSobservasjoner. Problemstillingen kan sammenfattes til:

1. Hvordan har byggearbeidet rundt CPOS-stasjonen påvirket posisjonsnøyaktigheten til denne stasjonen?

2. Vil inkludering av Galileo-signaler bidra til en mer nøyaktig posisjonsbestemmelse. Kan f.eks. signalet E5-AltBOC kompensere for endringer i umiddelbar nærhet av stasjonen?

En viktig feilkilde innen satellittnavigasjon er flerveis-interferens eller «multipath» på engelsk. I korte trekk går feilkilden ut på at signalene ikke bare tar korteste vei fra satellitt til mottaker, men blir reflektert av bygninger og andre fysiske obstruksjoner i nærhet av stasjonen. De indirekte signalene interferer med de direkte signalene, og bidrar til feil i de observerte avstandene. Hvor stort feilbidrag effekten gir, avhenger sterkt av lokale forhold.

Flerveis-interferens påvirker både kode- og fasemålinger og er avhengig av faktorer som signalets chiprate, signalstyrke, moduleringsteknikk og mottakerkvalitet. Kodemålinger er langt mer sårbare enn fasemålinger, hovedsakelig på grunn av at chiplengden på koden er betydelig lengre enn bølgelengden til bærebølgen. Med andre ord er en høy chiprate fordelaktig for evnen til å kompensere for lokale endringer rundt mottakeren. Generelt sett er effekten avhengig av satellittens elevasjonsvinkel, og ettersom effekten avhenger av lokale forhold, kan den heller ikke modelleres på en god og generell måte. For å kunne undersøke dette trengs det en lengre tidsserie med GNSSobservasjoner fra et område som har gjennomgått betydelige endringer. Et område som har hatt stor byggevirksomhet de siste 10 årene, er rundt Operahuset i Bjørvika. Og heldigvis har Kartverket driftet en permanent GNSS-mottaker (CORS) på taket av Operahuset siden 15. oktober 2009. For den relative løsningen, ble det brukt en basestasjon lokalisert i Ås.

Figur 1a

Figur 1b

Figur 1a og 1b: Viser endringene mellom 2011 og 2021 i nærhet av den permanente GNSS mottakeren markert i blått.

Resultater observasjonsdomenet

Resultatet av analysen i observasjonsdomenet viser en signifikant økning i estimert standardavvik for signalet C1C for GPS og GLONASS. Estimatene er beregnet ut ifra et solid datagrunnlag gjennom hele tidsserien og variasjonen fra år til år er liten. En annen interessant observasjon i dette plottet er at signalene ser ut til å ha en felles økning i RMS-verdi mellom 2015 og 2018. Ved å sammenligne flyfoto i tjenesten «Norge i Bilder» kan man se at de største endringene skjedde nettopp i dette tidsrommet.

Figur 2: Estimert standardavvik for flerveis interferens for hele tidsserien

Resultater relativ GNSS-løsning

GPS, GLONASS og multi-GNSS løsningen gir jevne og gode estimater gjennom hele tidsperioden. Resultatene indikerer en økende trend i avvik for østkomponenten rundt 2017, noe som sammenfaller med perioden for mest omfattende byggeaktivitet. Med en økning i avvik fra ca. 2-3 mm til omkring 6 mm for GPS, GLONASS og multi-GNSS-løsningen, tyder dette at byggearbeidet kan ha påvirket posisjonsnøyaktigheten. For Galileo og BeiDou var antallet tilgjengelige satellitter lavt under de største endringene, derav for lav presisjon til å oppdage endringer i nøyaktighet. Endringene i nøyaktighet antas å ikke være relatert til lokale forhold ved basestasjonen i Ås ettersom den står på et stort åpent område uten vesentlige endringer i umiddelbar nærhet.

Resultater PPP-løsning

For PPP-løsningen er rett og slett nøyaktigheten for varierende til å kunne påvise eventuelle endringer i nøyaktighet. En av hovedsvakhetene til PPP-løsningen anses for å være ufullstendig håndtering av differensielle kodebiaser (DCB) grunnet RTKLIB’s manglede støtte for Bias-SINEX formatet. Nøyaktigheten blir bedre med tiden, som trolig skyldes at de presise produktene stadig forbedres samt at satellittkonstellasjonen har endret seg mye gjennom tidsserien. Stadig flere signaler tas i bruk, noe som vil stramme opp geometrien og gi høyere posisjonsnøyaktighet. Det er imidlertid bemerkelsesverdig at nøyaktigheten for GPS og multi-GNSS-løsninger de siste årene har nådd sub-cm nivå for både nord-, øst- og høydekomponentene, til tross for bruk av udifferensierte observasjoner.

Galileo E5-AltBOC (C8X)

AltBOC- modulasjonen som dette signalet benytter fører til at korrelasjonstoppene blir smalere og mer distinkte. Dette hjelper mottakeren med å skille et direkte signal fra et reflektert signal som kommer med en liten forsinkelse. I tillegg til en mer avansert modulasjonsteknikk, har også E5AltBOC høy chiprate (10.23 Mcps). Forventningen er derfor at signalet C8X er mer robust mot flerveis-interferens i forhold til andre signaler. Resultatene fra studien viser at E5-AltBOC (C8X) har betydelig lavere standardavvik sammenlignet med andre signaler og forskjellen var faktisk overraskende stor. Beregner man et gjennomsnitt av de årlige standardavvikene ser man at eksempelvis Galileo sitt C1X har nesten dobbelt så høye verdier. Kort oppsummert er C8X det signalet som presterer desidert best av alle signalene som analyseres i denne studien.

Figur 3: RMSE for GPS, GLONASS og multi GNSS løsningen (Relativ)

Figur 4a viser Standardavviket for flerveis interferens vektet med satellittens elevasjonsvinkel.

Figur 4b viser avviket fra fasitkoordinaten for østkomponenten (relativ GNSS løsning) sammenlignet med figur 4b.

Oppsummering

Analysen i observasjonsdomenet viste en signifikant økning i standardavviket for flerveis interferens på henholdsvis 37 og 31 prosent for C1C-signalet til GPS og GLONASS. Ingen signifikant økning ble observert for de øvrige signalene, men det må understrekes at datagrunnlaget for flere av de moderne signalene var for tynt i perioden med mest anleggsvirksomhet. I koordinatdomenet viste resultatene av den relative GNSSløsningen en økning i RMSE for den østlige komponenten i samme periode. Det bemerkes at økningen i begge domener sammenfalt med perioden med høyest nivå av anleggsaktivitet rundt GNSSstasjonen. Funnene antyder dermed at anleggsaktiviteten nær stasjonen har påvirket kvaliteten på GNSSobservasjon ene, og at Galileo E5 AltBOC-signalet er bedre til å kompensere for lokale endringer enn andre signaler.

FAKTA

Om Per Helge: Jeg er 28 år og kommer fra Surnadal i Møre og Romsdal. Bor nå i Trondheim og er utdannet sivilingeniør i geomatikk ved Norges miljø-og biovitenskapelige universitet (NMBU) med spesialisering innen geodesi. Etter fullført mastergrad i 2022, startet jeg å jobbe som geodet i Equinor og har kontorplass på Rotvoll. Denne artikkelen er en sammenfatning av min mastergradsoppgave, supplert med tilleggsstudier som er gjennomført i etterkant. Den er utarbeidet i samarbeid med Ola Øvstedal ved NMBU og Christian Rost ved Norsk Romsenter (nå Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG)), som begge også var veiledere under mastergradsarbeidet. Artikkelen undersøker de potensielle effektene av byggevirksomhet i nærheten av en permanent GNSS-mottaker.