Signály a jejich kombinace, předzpracování surových observací. Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 5.

Transkript

1 Signály a jejich kombinace, předzpracování surových observací Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 5.

2 Osnova přednášky Signály v GNSS Diference observací Lineární kombinace signálů Příprava souřadnic pro zpracování Import RINEX Statistika observací Detekce cycle-slip

3 Signály GNSS Primárním GNSS používaným pro měření/zpracování je stále GPS velká část SW podporuje využití signálů GLONASS, Galileo, Beidou -> samostatná zpracování či častěji kombinovaná zpracování zahrnutí Galileo, Beidou je stále ve stádiu vývoje signál vyslaný družicí GNSS = kombinace nosné vlny, dálkoměrného kódu a navigační zprávy

4 Signály GPS nosné vlny: L1= MHz, cm L2 = MHz, cm L5 = MHz, cm, od družic bloku II-F (v únoru družice tohoto bloku v konstelaci) základní dálkoměrné kódy: C/A = hrubý civilní kód, rychlost = Mbit/s, zajišťuje základní polohovou službu, modulován jen L1 P (P1, P2) = přesný kód, rychlost = Mbit/s, zajišťuje přesnou polohovou službu, modulován L1, L2, šifrován L2C = civilní verze přesného kódu modulovaná L2, CM (Civilian Moderate) a CL (Civilian Long) vysílané společně, rychlost = Mbit/s; od bloku II-R(M), v březnu 2018 jej vysílalo 19 z 31 družic L5 je modulována dvěma civilními kódy (I5, Q5), rychlost = Mbit/s

5 Signály GLONASS GLONASS stále využívá primárně FDMA (Frequency Division Multiple Access) družice vysílají na odlišných frekvencích, aby bylo možné je identifikovat nosné vlny GLONASS modulované FDMA: G1 = MHz + n* MHz G2 = MHz + n* MHz n = číslo kanálu přiřazeného družici, od roku 2005 nabývá hodnot -7 až +4 (dvě protilehlé družice umístěné na stejné oběžné dráze nesou stejné číslo kanálu) základní dálkoměrné kódy GLONASS: C/A = hrubý civilní kód, rychlost = Mbit/s, modulován G1 i G2 P = přesný vojenský kód, rychlost = Mbit/s, modulován G1, G2, není šifrován, jeho použití však není civilistům doporučeno

6 Signály GLONASS od generace družic GLONASS-K však probíhá postupný přechod na modulaci CDMA (Code Division Multiple Access), kdy je identifikace družic prováděna na základě jejich PRN kódu CDMA využívají systémy GPS, Galileo, Beidou přechod GLONASSu je realizován za účelem sjednocení signálů jednotlivých GNSS generace GLONASS-K1: první družice vypuštěna G1, G2 modulována FDMA, G3 CDMA generace GLONASS-K2: první družice byla plánována na 2015, ale doposud nevypuštěna G1, G2 modulována FDMA i CDMA, G3 CDMA postupný přechod jen na CDMA aktuální signály GLONASS modulované CDMA: G3 = MHz (od družic bloku GLONASS-K1 a GLONASS-M vysílaných od , v únoru 2018 = 10 družic konstelace) G3 je modulována kódy I a Q, rychlost = Mbit/s

7 Signály Galileo nosné vlny: E1 = MHz (totožná s GPS L1) E6 = MHz E5a = MHz E5b = MHz základní dálkoměrné kódy: Galileo bude poskytovat řadu různých kódů o rychlosti Mbit/s, Mbit/s a Mbit/s některé budou k dispozici civilním uživatelům zdarma, některé za poplatek, jiné budou vyhrazeny specifickým službám (složky záchranných sborů apod.)

8 tvoří základ metody DGPS Diference observací využíváme kombinace měření realizovaných k dvojicím družic či/a z dvojice přijímačů umožňují eliminovat řadu chyb měření kódová i fázová měření, jedno i dvou frekvenční používají se u real-time měření i post processing měření

9 Nediferiencovaná observace GNSS ZD j i = R λ N ion + trop + clkj + clki + rel + noi + pcv + R ZD j i R λ N ion trop clk j clk i rel noi pcv R nediferiencovaná observace (zero differenced) fázového měření mezi přijímačem i a družicí j geometrická vzdálenost mezi přijímačem i a družicí j v m vlnová délka nosné vlny ambiguity (celočíselný počet násobků nosné vlny) vliv ionosféry vliv troposféry chyba hodin na družici j chyba hodin přijímače i vliv relativistických efektů vliv šumu chyba fázového centra přijímače residuum (rozdíl mezi reálnou a modelovanou observací) v případě observace kódových měření pouze zaměníme λ * N za c* t, kde c představuje rychlost světla a t dobu šíření signálu

10 Jednoduché diference (single differences) kombinace měření ze dvou přijímačů A a B k jedné družici 1 v čase epochy t => eliminují chybu hodin družice (je v dané epoše stejná pro jakékoliv místo měření) případně kombinace měření ke dvěma družicím 1 a 2 z jednoho přijímače A => eliminují chybu hodin přijímače SD 1 AB = ZD 1 A ZD 1 B

11 Dvojité diference (double differences) kombinace měření ze dvou přijímačů A a B ke dvěma družicím 1 a 2 v čase epochy t eliminují chyby hodin družice, chyby hodin přijímačů z velké části eliminují vliv ionosféry pokud oba přijímače leží v obdobné nadmořské výšce a obě družice jsou observovány na obdobném elevačním úhlu, je redukována i velká část vlivu troposféry tvoří základní typ observací pro diferenční GNSS měření

12 Dvojité diference (double differences) DD AB 12 = SD AB 1 SD AB 2 = = (ZD 1 A ZD 1 B ) (ZD 2 A ZD 2 B )

13 Trojité diference (triple differences) kombinace měření ze dvou přijímačů A a B ke dvěma družicím 1 a 2 v čase epochy t 1 a t 2 eliminují chyby hodin družice, chyby hodin přijímačů, vliv troposféry (pokud předpokládáme, že se troposféra mezi dvěma uvažovanými epochami nezměnila) a ambiguity (pokud mezi epochami nedojde ke ztrátě signálu či cycle slip) TD AB 12 = (DD AB 12 ) t1 (DD AB 12 ) t2

14 Lineární kombinace signálů signály na dvou či více frekvencích mezi přijímačem a družicí je možno kombinovat za účelem eliminace některých vlivů či např. umožnění určení ambiguity (celočíselný násobek počtu vln) jednoduchý vztah = čím více frekvencí/kódů pro měření používáme, tím více observací mezi přijímačem a družicí získáme pro jednu epochu a můžeme je kombinovat uvažujeme: f 1, f 2 = frekvence měření (MHz) P 1, P 2 = pseudovzdálenost v metrech určená na základě kódových měření na patřičné frekvenci L 1, L 2 = pseudovzdálenost v metrech určená na základě fázových měření na patřičné frekvenci

15 Lineární kombinace signálů při formování lineárních kombinací dochází ke změně frekvence signálu a tudíž i ke změně jeho vlnové délky platí vztah: λ = c f λ = vlnová délka (v metrech) c = rychlost šíření elmag vlny ve vakuu (rychlost světla) f = frekvence signálu (Hz)

16 Lineární kombinace prostá ionosféry (ionosphere-free) L x = 1 (f 1 2 f 2 2 ) f 1 2 L 1 f 2 2 L 2 obdobně pro kombinaci kódových měření eliminuje ionosférické zpoždění prvního řádu (zůstává vliv druhého řádu o velikosti mm až několika málo cm) velmi hojně používaná při post-processingu i RT měření při použití frekvencí L1, L2 systému GPS získáme následující vztah pro tuto lin. kombinaci: L 3 = L L 2

17 Lineární kombinace prostá geometrie (geometry-free) L x = L 1 L 2 P = (P 1 P 2 ) odečítáme observace získané na dvou frekvencích mezi jedním přijímačem a družicí v čase t kombinovaná observace neobsahuje geometrii observace, chyby hodin, vliv troposféry tvoří ji vliv ionosféry (zpoždění signálu jejím vlivem je různé na odlišných frekvencích), ambiguity a reziduální vlivy (multipath, šum, HW zpoždění) ambiguity zůstávají celočíselné používá se pro určení ambiguit, detekci cycle-slip, stanovení ionosférického zpoždění pro model ionosféry někdy označovaná jako ionosphere combination

18 Lineární kombinace Wide-line L x = 1 (f 1 f 2 ) f 1 L 1 f 2 L 2 obvykle používaná při zpracování dvojitě diferenciovaných observací používá se pro určení ambiguit, detekci cycle-slip výrazně delší vlnová délka (pro kombinaci GPS L1 a L2 = 86 cm) při použití frekvencí L1, L2 systému GPS získáme následující vztah pro tuto lin. kombinaci: L x = 4.53 L L 2

19 Lineární kombinace Narrow-line L x = 1 (f 1 f 2 ) f 1 L 1 + f 2 L 2 krátká vlnová délka (pro kombinaci GPS L1 a L2 = 10 cm) pokud jsou vyřešeny ambiguity, poskytuje velmi přesné určení polohy, řešení ambiguit je však problematické z důvodu právě krátké vlnové délky a nárůstu šumu při použití frekvencí L1, L2 systému GPS získáme následující vztah pro tuto lin. kombinaci: L x = 0.56 L L 2

20 Lineární kombinace Melbourne-Wübbena L x = 1 (f 1 f 2 ) f 1 L 1 f 2 L 2 1 (f 1 +f 2 ) f 1 P 1 + f 2 P 2 kombinace fázových a přesných kódových měření, využívaná pro signály systému GPS eliminuje vliv ionosféry, geometrie, chyb hodin a troposféry dlouhá vlnová délka (pro kombinaci GPS L1 a L2 = 86 cm) při kvalitních kódových měřeních může sloužit pro řešení wide-line ambiguit (má totožnou vlnovou délku) vhodná také pro hledání cycle-slip u nediferencovaných měření používaná nejen v Bernese GPS SW

21 Lineární kombinace systém GPS Signál Vlnová délka [cm] Šum relativně k šumu na L1 Vliv ionosféry relativně k L1 GPS L GPS L Ionosphere-free LK Geometry-free LK Wide-line LK Narrow-line LK Melbourne- Wübbena LK

22 Předzpracování měření

23 Příprava souřadnic ke zpracování souřadnice mohou být v několika rozdílných souřadnicových systémech (ITRF x ETRF x WGS84 x atd.) -> vzniká potřeba jejich transformace při post-processingu GNSS měření máme v případě souřadnic na vstupu několik možností: přesné souřadnice referenčních stanic vztažené k aktuální či v čase blízké epoše dlouhodobé přesné souřadnice referenčních stanic vztažené k epoše v minulosti přibližné souřadnice určené samotným měřením, která chceme zpřesnit

24 Přesné souřadnice referenčních stanic vztažené k aktuální či v čase blízké epoše lze je získat pro referenční stanice zahrnuté do velkých sítí (IGS, EUREF) stažitelné v souboru CRD v řešení založeném na denním/týdenním zpracování analytických center souřadnice tohoto typu nevyžadují žádný zásah a mohou být pro zpracování použity přímo

25 Dlouhodobé přesné souřadnice referenčních stanic vztažené k epoše v minulosti obvyklá situace u referenčních stanic zařazených jen do národních (komerčních) sítí souřadnice mohou být platné obvykle pro epochu několik měsíců či let zpátky u tohoto typu souřadnic je potřeba: zjistit datum jejich platnosti (kdy byly určeny) aplikovat posun souřadnic vlivem pohybu tektonických desek apod. cílem je získat co nejpřesnější souřadnice pro epochu, kdy provádíme zpracování

26 Přibližné souřadnice místa měření, která chceme zpřesnit souřadnice získané přímo použitou metodou měření (statická, RTK, apod.) jejich přesnost se může v závislosti na metodě měření velmi lišit (typicky v rozmezí 15 cm až 1 m) cílem post-processingu je tyto souřadnice zpřesnit pokud mají naměřená data vstupovat do síťového DD zpracování, je velmi vhodné souřadnice nejprve zpřesnit jednodušší metodou post-processingu (metoda PPP či klasický PP DGPS)

27 Změny souřadnic v čase Souřadnice stabilizovaného bodu nejsou v čase konstantní působí na ně řada vlivů periodického i neperiodického charakteru různých velikostí zásadní vlivy, které je potřeba zahrnout pro velmi přesná zpracování: pohyby tektonických desek gravitační síly Měsíce a Slunce působící na pevninu planety Země gravitační síly Měsíce a Slunce působící na moře a oceány = příliv x odliv gravitančí síly Měsíce a Slunce působící na atmosféru Země (atm. tlak vzduchu)

28 Změny souřadnic v čase souřadnice referenčních stanic proto vyjadřujeme jako souřadnice vztažené k určité časové epoše + vyjádření jejich změn v čase ve všech třech osách (tzv. velocity) pro určení těchto změn v čase potřebujeme dlouhodobou časovou řadu souřadnic místa měření minimálně za období 1 roku

29 Pohyby tektonických desek pohyb tektonických desek v čase způsobuje změnu souřadnic stanic vázaných k terestrickému referenčnímu systému zemskou kůru je možné rozdělit na několik bloků, které se vůči sobě vzájemně pohybují rychlost a směr tohoto pohybu je modelován (označováno pojmem velocity) používán globální model NUVEL1 velikost změny souřadnice se pohybuje v řádu mm až cm / rok (na euroasijské desce cca 2.5 cm / rok) pokud máme souřadnice referenční stanice platné pro epochu v minulosti, získáme či vypočteme její velocity a s jejich použitím určíme aktuálně platné souřadnice ty použijeme jako vstupní souřadnice při zpracování dat

30 Gravitační síly Měsíce a Slunce = slapové síly Měsíc i Slunce přitahují silněji tělesa na přivrácené straně Země, a naopak slaběji na odvrácené straně dochází tím k deformaci povrchu Země a přesunu vodních mas (příliv x odliv) typ a velikost působení je odvislé od aktuální polohy Země, Měsíce a Slunce vliv Slunce je menší než vliv Měsíce (vliv Slunce tvoří přibližně 44 % vlivu Měsíce)

31 Gravitační síly Měsíce a Slunce Posuny zemské kůry vlivem slapových sil dosahují velikosti do 1 m jejich hlavní perioda je 12 hodin, další významné periody jsou denní, čtrnáctidenní a sezónní tyto vlivy jsou při zpracování velmi přesných GNSS měření standardně modelovány a eliminovány sekundární posuny zemské kůry o výrazně menší velikosti způsobují přesuny vodních mas tyto posuny standardně nejsou modelovány při zpracování, vědecké SW je však umožňují zahrnout přidáním externího souboru s výstupy z modelu těchto vlivů (v případě Bernese GPS SW soubor s příponou BLQ obsahující parametry pro jednotlivé stanice)

32 Změny souřadnic v čase Referenční stanice GOPE

33 Import RINEX, statistiky observací Některé software pro post-processing GNSS měření vyžadují import observací ve formátu RINEX do jimi nativně používaného formátu, často binárního import obvykle doprovází volba výběru observací, které se mají importovat (frekvence, časový interval, atd.) a kontrole údajů hlavičky RINEX souboru (důležitý je zejména typ přijímače a antény) po načtení / importu observací máme většinou možnost zobrazit si tabelizované či grafické statistiky o provedených observacích

34 Statistiky observací Bernese GPS SW datum / stanice typy observací v souboru / zkontrolované observace (v tomto případě fázová měření na frekvenci L1, L2) časová dostupnost jednotlivých družic systému GPS po hodinách (znak * znamená, že v danou hodinu byl počet observací nad stanoveným limitem, znak pod stanoveným limitem, v tomto případě limit = 20 minut)

35 Statistiky observací Bernese GPS SW počty observovaných družic jednotlivých systémů v každou hodinu dne znak * znamená, že počet družic byl větší než 9 (dvojciferné číslo)

36 Identifikace a označení problematických observací observace nejsou ze souborů odstraněny, jen označeny a dále případně vynechány ze zpracování typicky se jedná o tyto typy observací: - odlehlé observace (detekovány na základě výpočtu rozdílu observací mezi po sobě následujícími epochami a stanovené prahové hodnoty rozdílu) - observace ke družicím, jejichž signály byly pro určitý časový interval označeny za problematické (Satellite Problem File CRX) - observace pod stanoveným elevační úhel - nepárové observace na dvou frekvencích (pro danou epochu je k dispozici observace na L1, ale není na L2 a opačně) - observace pokrývající kratší časový interval než je stanovený práh - observace mezi 2 ambiguitami pokrývající kratší časový interval než je práh

37 Cycle-slip Po zapnutí přístroje dochází k určení zbytkové části vlnové délky signálu (porovnáním přijaté vlny s replikou signálu generovanou přijímačem) a vynulování počitadla přírůstku počtu celých vln vždy když zbytková část vlny přesáhne 2π, počítadlo přičte +1 vlnu a zbytková část přechází na aktuální hodnotu v rozsahu 0 až 2π v určité epoše je tedy geometrická vzdálenost mezi družicí a přijímačem dána součtem počátečního celočíselného počtu vln (ambiguity), stavu počitadla celých vln a aktuální hodnotou zbytkové části vlny

38 Cycle-slip ambiguita zůstává konstantní dokud nedojde k (dočasné) ztrátě kontinuálního příjmu signálu => v tom případě je počítadlo celých vln vynulováno a dochází ke skoku mezi jeho poslední platnou hodnotou a hodnotou platnou pro aktuální observaci po zahájení opětovného příjmu signálu tento skok nazýváme cycle-slip cycle-slip se týká pouze fázových měření!

39 Co způsobuje cycle-slip Překážky v přímé viditelnosti mezi anténou přijímače a družicí (zeleň, budova, apod.) nejčastější důvod, objevuje se zejména u kinematických řešení, kdy se přijímač pohybuje, založených na fázových měřeních nízká síla signálu (poměr síly signálu k šumu) vlivem výrazné aktuální aktivity ionosféry, multipath, nízkého elevačního úhlu družice chyba ve zpracovávajícím software přijímače

40 Detekování cycle-slip V závislosti na typu přijímače, metodě měření, popřípadě metodě post-processingu měření = různé algoritmy realizované v různých přijímačích/softwarech pro zpracování používají se surová fázová měření a hlavně kombinace signálů (kombinace fázových měření, kombinace fázových a kódových měření, kombinace fázových a dopplerovských měření) existují algoritmy pro jedno i dvou frekvenční měření v případě přístupu k měřením z více přijímačů, jsou k detekci cycle-slip používány diference měření (jednoduché, dvojité i trojité)

41 Detekování cycle-slip - 1 frekvence Kombinací kódového a fázového měření pro tutéž observaci (L1 C1) odstraníme chyby geometrie, hodin, troposféry a zůstane nevyřešeno: 2 x vliv ionosféry (ionosféra zpomaluje kódová měření a zrychluje fázová, velikost vlivu je totožná) ambiguita hardwarová zpoždění šum měření vliv ionosféry se mezi dvěma následujícími epochami v čase rychle nemění (typicky 1 2 cm během 30 s) vliv šumu měření může dosahovat velikosti několika vlnových délek, může být však eliminován použitím vyhlazených kódových měření

42 Detekování cycle-slip - 1 frekvence Algoritmy pro detekci cycle-slip při měřeních na 1 frekvenci jsou v základu založené na výpočtu rozdílu mezi kombinovanými observacemi ze dvou po sobě následujících epoch a výpočtu predikce tohoto rozdílu pokud rozdíl mezi skutečnou a predikovanou dvojicí přesáhne určitou hraniční hodnotu, je druhá observace dvojice observace označena jako zdroj cycle-slip predikce může být vypočítávána proložením polynomické funkce z N observací v časově plovoucím okně či na základě průměru rozdílů v obdobném plovoucím okně cílem je shlazení šumu měření N = řádově několik málo stovek observací při 1 s intervalu měření konkrétní realizace algoritmu mohou dosahovat různé míry komplexnosti

43 Detekování cycle-slip - 2 frekvence Použití 2 či více frekvencí zvyšuje spolehlivost korektní detekce cycle-slip využívají se lineární kombinace signálu, které odstraňují vliv geometrie a další nedisperzivní vlivy (chyby hodin, troposféra, apod.) a případně i vliv ionosféry (ten může být modelován) jelikož cycle-slip se může objevit na každé frekvenci zvlášť, je potřeba používat dvě nezávislé lineární kombinace typicky se využívá lineární kombinace prosté geometrie (geometry-free) či kombinace fázových a kódových měření v podobě Melbourne-Wübbena lin. kombinace

44 Řešení cycle-slip Oprava cycle-slip = vyžaduje znalost velikosti cycle-slip (počtu celých vln skoku), je možné ji do měření zanést okamžitě re-inicializace ambiguity = jistější řešení, vyžaduje však určení nově zavedené ambiguity => časově i výpočetně náročné při opravách cycle-slip při real-time měření mohou výrazně pomoci i data z externích zdrojů, například z inerciálního navigačního systému

45 Zdroje Dach, R. et al. Bernese GPS Software, Version 5.0, Astronomický institut univerzity v Bernu, Švýcarsko, 2007 Hernandéz-Pajares, M. et al. GPS data processing: code and phase algorithms, Techniques and Recipes, gace, Barcelona, Španělsko, 2008 Hofmann-Wellenhof, B. et al. GNSS Global Navigation Satellite Systems, Springer, tm