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GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

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Page 1: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

GPS Receivers:Basics and Selection

T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer

Biosystems and Agricultural EngineeringUniversity of Kentucky

Page 2: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Global Positioning System Space-based radio

navigation facility System of 24 Rockwell

satellite vehicles (plus a few obsolete) maintained by the DoD

Altitude is 12,500 miles Radio signals broadcast

from satellites allow users to calculate position

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Distance to Satellite Lightening vs. Thunder Radio signals travel at the speed of

light Let’s put some numbers on it

Altitude = 12,500mi Speed of light = 186,000 mi/s Transmission Time = 0.067 s

What happens if we are off a little? 0.001 s * 186,000 mi/s = 186 mi

Page 4: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Triangulation

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Satellite Position

Satellites broadcast several pieces of information including Atomic clock corrections Ephemerides - parameters to

describe position and velocity of each satellite within its orbit

Page 6: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

GPS Errors

Clock Ephemeris Satellite Configuration Atmospheric interference Multipath Selective Availability (SA)

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Dilution of Precision

Low DOP High DOP

Page 8: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Multipath Error

Page 9: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

AtmosphericInterference

Page 10: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Selective Availability

The intentional dithering of timing and ephemeris information by the DoD intended to prevent hostile use of GPS technology.

Page 11: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Local Area DGPS

Establish your own base station Radiobeacon (USCG) National DGPS (NDGPS) Local Area Augmentation

System (LAAS)

RTK Arrays RTK Networks More on these later….

Page 12: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

RovingReceiver

CorrectionSignal

BaseStation

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USCGRadiobeacon

Correction

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Wide Area DGPS Sources

Commercial satellite providers Omnistar Racal Deere

Wide Area Augmentation System (WAAS)

Global DGPS (GDPS)

Page 15: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

RovingReceiver

CorrectionSignal

BaseStation

Page 16: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

RTK DGPS

Real Time Kinematic or, Carrier Phase DGPS Accuracy of Mobile Rovers:

under 2.0 cm horiz. and 5.0 cm vert.

Accuracy of Static Surveying Units: under 1.0 cm horiz. and 2.5 cm vert.

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RTK CorrectionSignal

RTK RovingReceiver

RTK BaseStation

GPS Satellites

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Static Accuracy

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Page 19: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Terms

Error – difference between measurement and actual value

Accuracy – lack of error Precision – random errors Bias – systematic errors

Page 20: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Reporting Methods

Visualize circles that contain the majority of data points: CEP – 50% of measurements 95% CEP - 95% of measurements 2DRMS – 95.4 to 98.2% of

measurements 1 Sigma – 66.7% of measurements 2 Sigma – 95% of measurements

Be certain that you compare apples to apples -- be aware of accuracies reported as CEP or 1 Sigma!

Page 21: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

Static Accuracy – 95% CEP

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Dynamic Testing

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Ideal Path

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Page 25: GPS Receivers: Basics and Selection T.S. Stombaugh, J.D. Luck and S.A. Shearer Biosystems and Agricultural Engineering University of Kentucky

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No FilterFilter

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Purchase Considerations Update rate (1, 5 or 10 Hz)? Accuracy? Correction signal capabilities

(Radiobeacon, commercial satellites, or WAAS)?

Compatibility (RS-232 or CAN; data format)?

Reliability? Service after the sale? Expected life?

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Interfacing User Interface

On-unit programming External programming

Data Interface – Software NMEA 0183

Data Interface – Hardware RS-232 CAN

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Satellite Positioning Systems

GPS (United States) GLONASS (Russia) EGNOS (European) - GALILEO

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Summary

Update rate Accuracy Correction Method Compatibility Reliability Service Useful Life