Oblasti využití přesných zpracování GNSS měření. Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 10.

Transkript

1 Oblasti využití přesných zpracování GNSS měření Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 10.

2 Základní skupiny aplikací Studium životního prostředí Země Studium atmosféry Mapování zemského povrchu pozemními a distančními metodami Přesné určování času Navigace v letecké, námořní, pozemní dopravě

3 Studium Země Monitorování změn rychlosti a orientace osy rotace Země, pohybů zemských pólů Studium pohybu kontinentálních desek Systémy včasného varování před zemětřeseními a tsunami Monitorování vulkanické činnosti a sesuvů půdy Monitorování pohybu arktického ledu (drift) Měření výšky sněhové pokrývky, hladiny vodních ploch

4 Systémy včasného varování před zemětřeseními a tsunami Národní síť GeoNet v Japonsku v roce 2018 okolo referenčních přijímačů umístěných na území Japonska (průměrná vzdálenosti mezi 2 přijímači 20 km, rozloha Japonska = 378 tis. km2) síť slouží primárně k monitorování seismické aktivity, posunů tektonických desek a pro geodetické aplikace data ze stanic jsou zpracovávána v (blízkém) reálném čase v komerčním softwaru RTNet s využitím techniky PPP při využití observací s 1s intervalem je možno v reálném čase detekovat změny souřadnic o velikosti 1 cm v horizontálním a 2.5 cm ve vertikálním směru, což umožňuje okamžitou detekci seismické aktivity

5 Systémy včasného varování před zemětřeseními a tsunami Systém včasného varování před tsunami v Indonésii od roku 2008 zahrnuje systém monitorování změn souřadnic referenčních GNSS stanic v oblasti v blízkém reálném čase postavený na softwaru EPOS vyvinutém v GFZ v Německu využívajícím techniku PPP data jsou dodávána a zpracovávaná v (blízkém) reálném čase, do několika málo minut jsou získávány vektory změn souřadnic stanic s přesností několika cm referenční stanice na zemském povrchu mohou být doplněny GNSS přijímači umístěnými na bójích přímo v oceánu a jejich měření využity stejným způsobem

6 Systémy včasného varování před zemětřeseními a tsunami

7 Systémy včasného varování před zemětřeseními a tsunami Systém včasného varování před tsunami v Ománu mimo jiné se sestává ze sítě 10 referenčních stanic GNSS řešení postavené na Bernese GPS SW, síťové zpracování dat s využitím DD a řešení ambiguit souřadnice stanic jsou určovány v kinematickém módu, řešení je rozšířeno o několik opěrných stabilních stanic na území Evropy data jsou dodávána a zpracovávaná v (blízkém) reálném čase, do 2 minut jsou získávány vektory změn souřadnic stanic s přesností několika cm

8 Monitorování vulkanické činnosti a sesuvů půdy Pro mapování topografie vulkánů jsou používány i sítě GNSS přijímačů tato měření napomáhají při monitorování pohybu magmatu a roztavených hornin v sopce či pod ní na území Evropy jsou tyto sítě využívány na Islandu a u sopky Etna na Sicílii sesuvy či poklesy půdy mají charakter náhlého rázu, ale také dlouhodobého procesu přesné GNSS přijímače umístěné v rizikových lokalitách umožňují nejen přesně sledovat vývoj pozvolných změn terénu, ale také studovat tento proces a jeho důvody existující sítě GNSS přijímačů nalezneme v Evropě v oblasti Dolomit v Itálii či ve východních Pyrenejích ve Španělsku možnost monitorování poklesů půdy na Ostravsku vlivem důlní činnosti

9 Monitorování vulkanické činnosti a sesuvů půdy

10 Monitorování pohybu arktického ledu (drift) Projekt SATICE (Arctic Ocean sea ice and ocean circulation using Satellite Methods) využití bójí vybavených meteorologickými čidly a GNSS přijímačem data z bójí jsou s využitím družice vysílána do analytického centra a zpracovávána změny polohy bójí v čase jsou způsobeny driftem ledů, ale také jinými vlivy (deformace a změny tloušťky ledovců, dynamika oceánů) v letních měsících bylo rozmísťováno okolo 100 GNSS přijímačů v jihozápadní části Grónska pro studium změn ledovců (rychlost pohybu přibližně m/den)

11 GNSS reflektometrie GNSS-R technika Dálkového průzkumu Země signály z GNSS družic jsou přijímány přijímači umístěnými na družicích s nízkými orbitálními drahami ve dvojí podobě: Přímý signál z GNSS družice Odražený signál od zemského povrchu (hladina oceánu a moří, sníh, led, pevnina) analýzou signálů je možno sledovat změny výšky povrchu a vybrané charakteristiky (např. rychlost a směr větru) využití v meteorologii a klimatologii, predikci tsunami, atd.

12 GNSS reflektometrie

13 Měření výšky sněhové pokrývky svým způsobem pozemní využití GNSS-R multipath představuje v drtivé případě aplikací GNSS negativní vliv za splnění specifických podmínek je však možné jej využít pro určování výšky sněhové pokrývky či změny výšky antény nad povrchem obecně podmínkou je umístění GNSS přijímače do rovinatého prostředí do určité výšky nad okolní krajinu souvislá sněhová pokrývka se stává zdrojem multipath a detailní analýzou signálu vybrané družice na základě poměru síly signálu k šumu a elevačního úhlu observací jsme schopni určovat výšku antény přijímače nad rovinným povrchem

14 Měření výšky sněhové pokrývky

15 Měření výšky hladin vodních ploch stejným způsobem jako v případě určování výšky sněhové pokrývky lze určovat aktuální výšku hladiny rozsáhlých vodních ploch tato měření nabývají na důležitosti vzhledem ke globálnímu oteplování, jež způsobuje nárůst hladiny oceánů a moří jsou však využitelné také v oblastech, kde dochází k výrazným periodickým změnám výšky hladiny lokálních vodních ploch (tání sněhu, období dešťů, apod.) a následným povodním aktuální výzkum potvrdil možnost využití GNSS i při monitorování růstu vegetace (výška vegetace) a hodnocení stavu nasycení povrchové vrstvy půdy vlhkostí

16 Studium atmosféry Využití parametrů troposféry pro zpřesňování předpovědí počasí Využití parametrů troposféry pro studium klimatu Studium ionosféry, jejích procesů a dynamiky

17 Využití parametrů troposféry pro zpřesňování předpovědí počasí V rámci evropské iniciativy E-GVAP jsou hodnoty ZTD asimilovány do numerických předpovědních modelů počasí v těchto zemích: Velká Británie Francie Německo Nizozemí Dánsko pozitivní vliv na predikci srážkové činnosti, zejména v krátkodobém horizontu (0-12 hodin) aktuální síť zahrnuje cca referenčních GNSS stanic zpracování v blízkém reálném čase v několika analytických centrech s využitím PPP či síť. řešení

18 Využití parametrů troposféry pro zpřesňování předpovědí počasí Ukázka výsledku asimilace ZTD produktů z GPS měření do NWP almo pro území Švýcarska, předpověď srážek pro 20. června 2002 UTC hodin (Guerova, 2003)

19 Využití parametrů troposféry pro studium klimatu Země Globální síť referenčních stanic dokáže poskytovat dlouhodobé informace o aktuálním stavu obsahu vodních par v atmosféře s vysokým prostorovým a časovým rozlišením stává se tím jedinečným zdrojem dat o cyklu a vývoji vodních par v troposféře kampaň pro opětovné zpracování GPS měření s využitím současných technik a znalostí konané pod záštitou IGS umožňuje získat hodnoty ZTD pro globální síť stanic již pro data od roku 1994 takováto datová sada pokrývající časově dlouhé období (typicky 30 let) je potřebná pro hodnověrné studium vývoje a změn klimatu

20 Studium ionosféry, jejích procesů a dynamiky Aktivita ionosféry a procesy v ní ovlivňují: hw zařízení na družicích rádiovou komunikace na zemském povrchu (zejména na dlouhé vzdálenosti) elektrické sítě na zemském povrchu šíření signálu GNSS GNSS představuje jeden z nástrojů pro studium a monitorování aktivity ionosféry a dynamických změn v ní (solární bouře) s vysokým časovým i prostorovým rozlišením aktuální výzkum předkládá hypotézu výskytu prudkých změn v celkovém počtu elektronů v ionosféře před velkými zemětřeseními

21 Mapování zemského povrchu Budování a provoz sítí referenčních stanic GNSS Měření objektů na zemském povrchu Využití GNSS při snímání zemského povrchu distančními metodami

22 Budování a provoz sítí referenčních stanic GNSS Aktuálně existují celosvětově stovky sítí referenčních stanic pro komerční či výzkumné účely při správě sítí je potřeba: v pravidelných intervalech určovat přesné souřadnice referenčních stanic a jejich velocity monitorovat kvalitu observací jednotlivých stanic obvykle provozovat NTRIP server či jiné řešení pro distribuci surových dat/korekcí uživatelům v reálném čase první dva procesy je možno provádět pouze s využitím pokročilých technik zpracování dat, první vyžaduje síťové řešení

23 Využití GNSS při snímání zemského povrchu distančními metodami Využití přesných GNSS měření pro: (automatickou) navigaci nosiče po letové trase určení prvků vnější orientace (leteckého) snímku pro jeho georeferencování eliminována potřeba vlícovacích bodů vyznačených v terénu doposud typické využití diferenčních měření (často RTK či PPK Post Processed Kinematic), problematické v oblastech bez referenčních stanic aktuálně již možnost PPP! aktuální vývoj také v oblasti bezpilotních nosičů (UAV Unmaned Air Vehicle) obvyklá je kombinace GNSS s inerciálními systémy

24 Námořní aplikace Využití technologie GNSS pro: navigace plavidel v kombinaci s dalšími zařízeními pro mapování dna oceánů, moří, detekci pohybu kontinentálních desek měření výšky vln a slapů, detekce vlny tsunami značný nárůst využívání techniky PPP zcela se tím eliminuje hlavní typický problém = velká vzdálenost k referenčním stanicím PPP řešení provádí obvykle počítač, který je součástí řídících systémů plavidla u kinematických řešení je bez problémů dosahována požadovaná přesnost (cm, první dm)

25 Námořní aplikace PPP představuje výhodu oproti DD řešení také pro post-processing měření provedených v širých oceánech, kdy je délka základen mezi místem měření a nejbližší referenční stanicí i několik tisíc km, což dělá problematickým řešení ambiguit nárůst využívání PPP řešení je patrný i v aplikacích v pozemní a letecké dopravě

26 Přesné určování času Přesnost určení času s využitím signálu z družic GPS = 1 ns existuje řada aplikací využívající GNSS pro určení času příklady: telekomunikace = sítě pevných linek i mobilních operátorů informatika = NTP protokol (Network Time Protocol), streamování obrazu, zvuku, apod. přenos elektrické energie = elektrická síť tvoří globální celek, musí docházet k synchronizaci toků elektrické energie (výkyvy mohou vést k poškození nosičů) bankovnictví = na globálním trhu jsou prováděny transakce vyžadující přesnou časovou referenci pro zajištění korektnosti transakce (změny kurzu měn, akcií apod.)

27 Zdroje Alkan, R. M. a Öcalan, T. Usability of the GPS Precise Point Positioning Technique in Marine Applications, The Journal of Navigation, Vol. 66, pp , 2013 Dach, R. et al. Bernese GPS Software, Version 5.0, Astronomický institut univerzity v Bernu, Švýcarsko, 2007 Elgered, G. et al., GNSS for Global Environmental Earth Observation, brožura projektu Gfg 2, 7. rámcový program EU, Švédsko, 2013, dostupné zde Hefty, J. a Gerhartová, L. Using GPS multipath for snow depth sensing first experience with data from permanent stations in Slovakia, Acta Geodynamica et Geomaterialia, Vol. 11, No. 1, pp , 2014 Geng, J. et al., Kinematic precise point positioning at remote marine platforms, GPS Solutions, Vol. 14, pp , 2010 Yuan, X. et al., The application of GPS precise point positioning technology in aerial triangulation, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 64, ,