Beta 1


Title En GIS-analyse af GPS-kvalitet til roadpricing
Author Zabic, Martina (Trafikmodelgruppen, Center for Trafik og Transport, Danmarks Tekniske Universitet, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark)
Supervisor Nielsen, Otto Anker (Trafikmodelgruppen, Center for Trafik og Transport, Danmarks Tekniske Universitet, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark)
Jensen, Anna B. O. (Informatik og Matematisk Modellering, Danmarks Tekniske Universitet, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark)
Institution Technical University of Denmark, DTU, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark
Thesis level Master's thesis
Year 2004
Abstract Denne undersøgelse af GPS-kvaliteten i forbindelse med roadpricing, er foretaget i tilknytning til det danske AKTA forsøg, hvor GPS-data er indsamlet for 500 biler over en 2-årig periode. Dette eksamensprojekt omfatter en analyse af GPSnøjagtigheden med henblik på at undersøge om kvalitet og pålidelighed er tilstrækkelig, til et GPS-baseret roadpricingssystem i København. Ved GPS-baseret roadpricing, udstyres den enkelte bil med en computer, der ved hjælp af signaler fra satellitter, kan bestemme bilens placering på vejnettet. Herved kan bilens computer ved hjælp af elektroniske vejkort udregne kilometertaksten det pågældende sted, således at det skyldige beløb enten trækkes direkte eller akkumuleres til senere betaling. Systemets detaljeringsgrad stiller store krav til positionsbestemmelsen af køretøjet. Hver GPS-baseret observations nøjagtighed afhænger af antallet af satellitter inden for ”sigt”, kvaliteten af hvert signal (HDOP) og den retning satellitterne befinder sig i forhold til enheden og dens bevægelse. Derfor er GPS-modtagelsen speciel følsom i tætte byområder, hvor signalproblemer ofte skyldes høje bygninger, der blokerer for signalerne. Også i skovområder ses ofte signalproblemer ved tæt beplantning, samt ved kørsel i tunneller og lignende. Analysemetoden er baseret på en GIS-analyse af det eksisterende datamateriale, hvor manglende data og de systematiske udfald understreger problemerne omkring anvendelsen af GPS i roadpricing projektet. I rapporten er der lagt vægt på at beskrive det data og de digitale kortgrundlag, som analysen er baseret på. Selve databehandlingen af bilernes originale logfiler er foretaget udenom ArcGIS og metoden findes i et appendiks sidst i rapporten. Dataanalysen bygger på forskellige delanalyser af GPS-kvaliteten. Først sammenholdes både antallet af satellitter i sigt og HDOP værdien med bebyggelsestætheden i København, for at finde sammenhængen mellem bytæthed og GPS-kvalitet. Dernæst undersøges vejnettets egnethed til roadpricing ud fra gennemsnitlige GPS-værdier udregnet for hver vej. Her holdes fokus på de områder eller veje, hvor GPSværdierne er kritiske og uegnet til positionsbestemmelse. Tilsvarende foretages en analyse af GPS-forholdene udenfor København, for primært at analysere GPS-kvaliteten i skovområder, men også for at se på lande- og motorvejene. Idet bilernes originale logfiler ikke indeholder oplysninger om de forekomne udfald i signalmodtagelsen, er der i analysen foretaget en undersøgelse af et datasæt, hvori udfaldene er registreret. Her igen med fokus på de veje, hvor der er udfald i over 80 % af målingerne. Resultatet sammenlignes med resultater fundet under eget forsøg på at teste GPS-dækningen i København. Ved brug af BlomInfo’s 3D Bymodel, sammenlignes de omgivende bygningsdimensioner i forskellige gader med henblik på, hvornår udfald i positionsbestemmelsen forårsages af blokeringer. Analysen indeholder også interpolationskort, hvor GPS-værdier kan estimeres for områder, hvor der ikke findes målinger. Metoden er baseret på kriging og sammenholdes med usikkerheden forbundet med estimationen. Under delanalysen sammenlignes interpolationsværdierne for HDOP med efemeridedata fra almanakken. I den sidste del af analysen undersøges øvrige tendenser i data med henblik på om GPS-kvaliteten ændres, som følge af årstids- og døgnvariation. Dataanalysen har vist sammenhængen mellem GPS-kvaliteten og bebyggelsestætheden i København. Både for HDOP og antallet af satellitter i sigt, er værdierne dårligere i København – specielt for Brokvartererne, Frederiksberg og Indre by, hvor de kritiske områder findes. Omkring grønne områder i København, fremgik en forbedrende effekt, idet de kritiske værdier aftager. Resultaterne viste, at det primært var de mindre sideveje, der havde udfald. De faktiske udfald under AKTA forsøget, stemte godt overens med de anslået kritiske områder. Det blev endvidere vist, bygningshøjderne har stor betydning for satellitdækningen i gaden, mens vejens brede har mindre betydning. Udenfor København, viste analysen, hvorledes skovområder også har indflydelse på GPS-kvaliteten. I disse områder er GPS-forholdene dårligere end for de grønne områder i København, hvilket skyldes, den tættere beplantning af høje træer i skovområderne. Langs hovedveje og motorveje er satellitdækningen god med undtagelse af strækninger under broer og tunneler, hvor udfaldene opstår. Tendensanalysen viste, hvorledes der ikke fremgår nogen tydelig sammenhæng mellem GPS-kvalitet og årstids- og døgnvariation. På baggrund af de forskellige foretagne delanalyser, viser analyseresultaterne overordnet samme tendenser. Lukkede gaderum og tæt bebyggelse, bevirker at GPS-kvaliteten forringes i København. Med hensyn til roadpricing, er resultaterne fra analysen ikke tilfredsstillende. Ved roadpricing kræves et pålideligt system, der gør det muligt at regulere trafikken ved variable kørselsafgifter, der afhænger af hvor, hvornår og hvor langt, der køres. Ved et sådan afgiftssystem, kan fuldstændig "fair" prissætning kun opnås, hvis positionsbestemmelsen af bilerne er tilstrækkelig nøjagtig. GPS-kvaliteten på vejene i København skal være bedre, hvis et roadpricingssystem med variable afgifter, skal fungere optimalt. Som det fremgår af analysen, afhænger GPS- kvaliteten af bebyggelsestætheden, hvorfor problemområderne primært findes i de tættest bebyggede områder, hvor trafikken netop skal reguleres og ledes væk fra. Positionsbestemmelsen kan forbedres, hvis GPS-enheden integreres med andre positioneringssystemer, som f.eks. et Kalmanfilter. Filteret sammenholder de seneste målinger med de sidst udregnede positioner og på baggrund af en statistisk vægtning af disse, bliver positionsnøjagtigheden forbedret. En anden fordel ved Kalmanfilteret er, at der kan beregnes en position, selvom der ikke er kontakt til satellitterne i sigt. Positionsnøjagtigheden kan tilsvarende forbedres ved integration af fremtidige GNSS- og hjælpesystemer, der p.t. er under udvikling. Fordelene ved at modernisere gamle systemer og udvikle nye, ligger i samarbejdet mellem systemerne. Modtagere, der er integreret mellem systemerne, har en række fordele. Grundet de flere satellitter, er modtageren givetvis mere pålidelig, men er også mere robust overfor jamming og interferens. Integrerede hjælpesystemer i andre lande, har vist at have en forbedrende effekt. Simulationsundersøgelser har tilmed vist, hvorledes de integrerede hjælpesystemer forbedrer satellitdækningen i storbyer med væsentlig højere bebyggelse end i København. Den politiske problematik omkring anvendelsen af GPS til roadpricing vedrører to primære faktorer – pålidelighed og overvågning. Politikerne er uenige omkring indførelse af roadpricing, selvom erfaringerne fra udlandet viser positive effekter. Danskerne vil gerne have bilerne ud af de større danske byer, men går ikke ind for hverken bompenge eller andre former for kørselsafgifter. Den samlede vurdering af GPS-kvaliteten til roadpricing er, at GPS-dækningen i København ikke er tilstrækkelig. Grundet de mange udfald i positionsbestemmelse, samt de anslåede kritiske områder i København, vil der ved indførelse af et GPS-baseret roadpricingssystem, opstå en række komplikationer i forbindelse med betaling for hver kørte kilometer.
Abstract This study of GPS quality in connection to road pricing is performed in relation with the Danish AKTA experiment, where GPS data were collected for 500 cars over a period of 2 years. This thesis includes an analysis of GPS accuracy, with an examination in mind of whether quality and reliability is adequate to road pricing. By GPS-based road pricing, every car is provided with a computer that determines the position of the car by use of satellite signals. Hence the computer is able to calculate the kilometre charge at the actual location by use of electronical street maps. The due amount is either charged right away or at a later date. The system’s high degree of detail imposes very high demands on the positioning of the vehicle. The accuracy of every GPS-based observation depends on the number of satellites in view, the quality of each signal (HDOP) and the direction the satellites are located by in respect to the vehicle and its movement. Signal reception is specifically sensitive in built-up areas given that the signal problems often result from high buildings that cut off the signals. These signal problems are also seen in wooded areas and while driving through tunnels and under bridges. The method of analysis is based on a GIS analysis of the existing data material in which missing data and systematic outages emphasize the problems about using GPS for road pricing. A great weight is put into describing data and the digital maps used for the study. The data processing of the original log files from the cars is performed outside ArcGIS and the method is described in an appendix at the end of the report. This data analysis is based on different partial analyses of the GPS quality. At first the number of visible satellites and the HDOP is compare to the density of the built-up areas in Copenhagen, with the purpose of finding the relationship between the density and the GPS quality. Next the suitability of the road network is examined on the basis of average GPS values calculated for each road. In this part, the focus is kept on roads and areas in which the GPS values are critical and unsuitable for positioning. Correspondingly an analysis of the GPS conditions outside of Copenhagen is performed, in order to examine the GPS quality in wooded areas and on motorways and highways. An examination of a data set in which outages are registered is performed, given that the original log files don’t contain information about the occurred outages. Once again the focus is kept on the roads that have outages in over 80 % of all measurements. The result is compared to results established by a test performed with the purpose of identifying satellite availability in Copenhagen. The surrounding building dimensions are compared for different streets by use of BlomInfo’s 3D Bymodel, in order to determine when the outages are caused by blockings. The analysis also contains interpolation maps in which GPS values are estimated for those areas, where no measurements are found. The method of interpolation is based on Kriging and is held together with the uncertainty connected to the estimation. During the analysis the HDOP interpolation values are compared to ephemeris data. In the last part an examination of additional tendencies is performed in order to find out if the GPS quality changes in response to season or day variations. The data analysis has shown the connection between the GPS quality and the density of the built-up areas in Copenhagen. The GPS values are worse in Copenhagen especially in the outside quarters, Frederiksberg and in the city centre, where the critical values are found. An improved impact appeared around the parks in Copenhagen given that the critical values decrease in these areas. The results showed that the smaller side roads had outages. The actual outages found during the AKTA experiment were consistent with the approximated critical values. It was in addition showed that the building heights have great matters to the satellite coverage in a street, while the street width is of minor significance. The analysis showed how the wooded areas outside of Copenhagen also affect the GPS quality. In these areas the GPS conditions are worse than the park areas, which result from the closer planting and higher trees in the woods. Along the high ways and the motor ways the satellite coverage is good with the exception of road stretches under bridges and through tunnels, where the outages occur. The tendency analysis showed, that no clear relation between GPS quality and season and day variations is found. Given the different performed partial analyses, the results show the same tendencies overall. The tight built-up areas involve that GPS quality degrades in Copenhagen. With road pricing in mind, the results of the analysis are less than satisfactory. If road pricing becomes operational the system requires reliability, which allows traffic adjustment by use of variable road pricing charges depending on the travel. By such a levy system, a complete fair pricing is only possible if the positioning is sufficiently accurate. If a road pricing system has to function satisfactorily, the GPS quality related to the roads has to improve. As it appears from the analysis, the GPS quality depends on the density of the built-up areas, which is why the problem areas are found in the most closely built-up neighbourhoods. It is just in these areas in which the traffic must be adjusted and bypassed around. The positioning can be improved if the GPS unit is integrated with other positioning systems for instance a Kalman filter. The filter compares the latest observations to the last calculated positions. Hence the accuracy is improved by use of statistical weighting. Another advantage is the possibility to calculate position even if no satellites are in view. The positioning accuracy is correspondingly improvable by integration of future GNSS and augmentation systems, which at present are being developed. The advantages of upgrading old systems and developing new ones relate to the co-operation between the systems. Receivers, which are integrated with the different systems, have a variety of advantages. The receiver is more reliable and robust against jamming due to the increased number of satellites. Integrated augmentation systems have showed an improvable impact in other countries. Examinations of simulation have showed how the integrated augmentation systems improve the satellite coverage in major cities. About the application of GPS for road pricing, the political set of problems concerns two factors – availability and monitoring. The politicians disagree about the introduction of road pricing even if the experiences from other countries show favourable impacts. The Danes wants the cars out of the major cities, but they oppose the road pricing charges. The overall evaluation of the GPS quality is that the satellite coverage in Copenhagen is inadequate for road pricing. By introduction of a GPS based road pricing system, several complications in connection with kilometre charging will occur due to the several outages and the estimated critical areas in Copenhagen.
Pages 192
Admin Creation date: 2006-06-22    Update date: 2007-02-24    Source: dtu    ID: 183540    Original MXD