Developing modeling strategies to increase PPP accuracy

Abstract

Hassas konum belirlemeye olan ihtiyaç özellikle deformasyon belirleme çalışmaları gibi jeodezik çalışmalarda konum belirleme cihazlarındaki gelişmelere paralel olarak artmaktadır. Günümüzde GPS en yaygın olarak kullanılan üç boyutlu konum belirleme tekniğidir. Fakat, güvenilir konum veya deformasyon oranı bilgilerini belirli bir doğrulukta elde edebilmek için araştırmacıların arazi çalışmalarını planlamadan önce GPS'nin doğruluğunu bilmeleri gerekir. Bu yüzden GPS konum belirleme doğruluğunun tahmin edilmesi araştırmacılar için son zamanlarda önemli bir çalışma alanı olmuştur. Başlangıçtaki çalışmalar genelde en hassas konum belirleme yöntemi olan statik GPS gözlemlerinin doğruluğunun belirlenmesi üzerine olmuştur. Son zamanlarda Hassas Nokta Konumlama Tekniği (PPP) rölatif konumlama tekniğine (RP) alternatif ortaya çıkmıştır. Yaygın olarak kullanılan RP tekniğinden farklı olarak PPP tekniğinde sadece bir GPS alıcısı kullanır ve bu durum PPP tekniğini daha verimli ve ekonomik yapar. GPS verilerinin değerlendirilmesi için ise GIPSY/OASIS II (veya GIPSY) yazılımı BERNESE ve GAMIT gibi yazılımlar arasında öne çıkmaktadır. PPP doğruluğuna etki eden parametrelerin belirlenmesi için çeşitli çalışmalar yapılmış ve gözlem süresi Sanli ve Engin [1], Sanli ve Tekic [2], Ozturk ve Sanli [3] gibi araştırmacılar tarafından en anlamlı parametre olarak bulunmuştur. Sabit ve 24 saat gözlem yapan GPS istasyonları en doğru konum bilgilerini sunmasına rağmen finansal ve diğer sebeplerden dolayı kampanya veya dönemsel GPS ölçülerini dikkate almamız gerekmektedir. Bu yüzden, özellikle gözlem süresine dayalı GPS konumlama doğruluğunun tahmin edilmesi ölçüm planlama çalışmalarında faydalı olacaktır.Daha önceki GIPSY PPP çalışmalarında NASA JPL'nin legacy ürünleri ve GIPSY versiyon 4.0 kullanılmış ve RP'ye göre daha kaba sonuçlar elde edilmiştir. JPL Ağustos 2007'de yeni modelleme ve analiz stratejilerinin kullanıldığı gelişmiş ürünlerini yayınlamaya başlamıştır. Bu yeni gelişmeler GIPSY versiyon 5.0 ve sonraki versiyonlara dahil edilmiştir. JPL'nin getirdiği ana gelişmeler yeni yörünge ve saat belirleme stratejisi, ikinci derece iyonosfer modelleme ve tek istasyon iyonosfer çözümüdür. JPL'nin legacy ürünleri artık mevcut değildir ve bu yüzden Sanli ve Tekic [2] tarafından geliştirilen PPP doğruluğu modeli günümüzde artık geçerli değildir.GPS PPP'nin doğruluğunu mevcut en güncel GIPSY versiyonunu (versiyon 6.3) kullanarak analiz etmek için Sanli ve Tekic [2] tarafından kullanılan IGS istasyonlarının yine aynı zaman dilimine ait (Ocak 2008) GPS gözlem verileri test edilmiştir. PPP doğruluğu kuzey, doğu ve düşey konum bileşenleri için sırasıyla S_n=7.8⁄√T mm, S_e=6.8⁄√T mm ve S_v=29.9⁄√T mm olarak yeniden formüle edilmiştir, bu modele güncel PPP doğruluğu modeli adı verilmiştir. Beklenildiği gibi bu sonuçlar mevcut konumlama doğruluğunun anlamlı bir şekilde iyileştiğini göstermiştir. Bunlara ek olarak, PPP doğruluğu yine aynı IGS istasyonları fakat daha güncel (Ocak 2014) 10 günlük GPS verileri kullanılarak revize edilmiştir. Sonuç olarak revize edilmiş PPP doğruluğu modeli S_n=5.9⁄√T mm, S_e=7.0⁄√T mm ve S_v=22.1⁄√T mm olarak formüle edilmiştir. Bu model, sonuçları yukarıda bahsedilen güncel model sonuçlarına yakın değerler sağlamış, ayrıca Sanli ve Tekic [2] modeli kuzey, doğu ve düşey konum bileşenleri için sırasıyla 56%, 66% ve 46% oranlarında iyileştirilmiştir. Ayrıca daha iyi ve güvenilir bir model geliştirebilmek için polinomsal ve logaritmik denklemler test edilmiştir. Fakat Sanli ve Tekic [2] tarafından sunulan modelin yine daha iyi sonuçları türettiği görülmüştür. Yukarıda bahsedilen sonuçlar global olarak dağılmış 11 IGS istasyonu ve bu istasyonlara ait 10 ardışık gözlem gününe ait GPS verileri kullanılarak elde edilmiştir. Oysa ki GPS istasyon sayısını artırmanın ve güncel GPS verisi kullanmanın daha iyi bir model geliştirmek ve daha güvenilir doğruluk elde edebilmek için gerekli olduğu düşünülmektedir. Ayrıca PPP doğruluğunun ekvatoral bölge ve kuzey ve güney yarım küreler için orta ve yüksek enlemli alanları kapsayacak şekilde bölgesel olarak da analiz edilmesinin gerekli olduğuna karar verilmiştir, bu amaçla 67 global olarak dağılmış sürekli gözlem yapan GPS istasyonu bu çalışma için seçilmiştir. 10 ardışık güne ait GPS gözlem verileri ve mevcut model denklemleri kullanılarak PPP doğruluğu sonuçları S_n=6.2⁄√T mm, S_e=6.6⁄√T mm ve S_v=21.7⁄√T mm olarak elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre bu model denklemleri öncekilerden daha güvenilirdir ve arazi çalışmaları planlanırken tercih edilmelidir. Bölgesel doğruluk model sonuçları tezin sonuç kısmında verilecektir.

The demand for precise positioning in geodetic studies, especially in deformation monitoring studies, increases parallel to the advances in the production of geolocation instruments. Currently, the Global Positioning System (GPS) is the most commonly used positioning technique providing accurate three dimensional positioning information. However, in order to obtain reliable positions or deformation rates with a certain accuracy, the researchers need to know the accuracy of GPS when they are planning their field survey. Therefore, the prediction of GPS positioning accuracy has been an important research area for researchers for more than a decade. Early studies mainly focused on predicting the accuracy of static GPS surveying, which is the most precise GPS surveying method. Recently, Precise Point Positioning (PPP) has emerged as an alternative method to relative positioning (RP). In contrast to commonly used RP, PPP employs only one GPS receiver which makes it more efficient and cost effective. For processing the GPS data, GIPSY/OASIS II (or GIPSY) academic software has had a leading role among its counterparts such as BERNESE and GAMIT. Various studies have been performed investigating the parameters that affect the PPP accuracy, and the observing session duration was found to be the most significant parameter by the researchers, i.e. Sanli and Engin [1], Sanli and Tekic [2], Ozturk and Sanli [3]. Although permanent and 24 hour operating GPS stations provide the most accurate positions, we still need to take into account the campaign or episodic GPS surveys because of financial problems or various other constraints. Thus, predicting the accuracy of GPS based especially on the observing session duration will be a useful tool for pre-survey planning activities.Former studies of GIPSY PPP accuracy by using the NASA, JPL's legacy products, and by using GIPSY v 4.0, showed coarser results compared to those of the RP accuracy. In August 2007, JPL started releasing its products using new modeling and analysis strategies and included these developments to GIPSY starting from the version of 5.0. The main developments provided by JPL includes the new orbit and clock determination strategy, second order ionosphere modeling, and single station ambiguity resolution. The legacy products are no longer available; therefore, the accuracy formulation provided by Sanli and Tekic [2] is not applicable today. To analyze the accuracy of GPS PPP from the currently available version of GIPSY (version 6.3), the data of the International GNSS Service (IGS) stations belonging to the same time interval (January 2008) used by Sanli and Tekic [2] were tested in this study. The PPP accuracy has been reformulated to be S_n=7.8⁄√T mm, S_e=6.8⁄√T mm and S_v=29.9⁄√T mm for the GPS baseline components north, east and vertical, respectively, and named as the current PPP accuracy model. These results showed that, as expected, the previous positioning accuracy has been improved significantly. Moreover, the PPP accuracy was revised by using a recent 10 day long GPS dataset, from January 2014, belong to the same GPS stations. Eventually, the revised PPP accuracy results revealed the accuracy model equations as S_n=5.9⁄√T mm, S_e=7.0⁄√T mm and S_v=22.1⁄√T mm. The revised accuracy model provided proximate results to the current PPP accuracy model; however, the Sanli and Tekic [2] model was improved by approximately 56%, 66% and 46% for the positioning components north, east and vertical, respectively.Moreover, straightforward polynomial and logarithmic equations were tested for providing a better accuracy model. However, accuracy model equations of Sanli and Tekic [2] still provided better results. The results mentioned above were obtained from globally distributed 11 IGS stations and 10 consecutive days of GPS data. However, increased number of GPS stations and using current GPS data were thought to be necessary for developing a better model and producing more reliable accuracy estimation results. Moreover, the PPP accuracy was decided to be analyzed regionally including equatorail area, middle lattitude and high lattitude areas for northern and southern hemispheres. For this reason, 67 globally distributed continuously operating GPS stations were selected for this study. By using 10 consecutive days of GPS data, the PPP accuracy results were obtained as S_n=6.2⁄√T mm, S_e=6.6⁄√T mm and S_v=21.7⁄√T mm with applying the current accuracy model equations. These model equations are more reliable than the previous results and should be prefered for use when planning a filed work. Regional accuracy model results will be provided in Results section.