Data v GNSS a jejich formáty. Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 4.

Transkript

1 Data v GNSS a jejich formáty Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 4.

2 Osnova přednášky Observace RINEX Efemeridy družic Korekce hodin Parametry rotace Země Souřadnice referenčních stanic Parametry troposféry Parametry ionosféry Fázová centra antén přijímačů Diferenční kódové bias

3 Observace měření Ukládány v nativních formátech výrobců přijímačů či ve výměnném formátu RINEX observační datové soubory z mnoha referenčních stanic jsou zdarma dostupná! V rámci Evropy se jedná o všechny stanice zařazené do sítě EUREF data jsou distribuována v reálném čase (RT) či přes ftp server

4 RINEX Receiver Independent Exchange Format nezávislý výměnný formát pro GNSS měření podporovaný faktickou většinou geodetických přijímačů textové ASCII soubory vznik typy RINEX souborů: Observační (observace kódových, fázových, dopplerovských měření) Navigační (navigační zprávy družic) Meteorologické (meteorologická měření v místě referenční stanice)

5 RINEX - verze Verze Popis RINEX 2.10 RINEX 2.11 GPS a GLONASS GPS a GLONASS, podpora GPS C2, L2/L5 signálů a Galilea RINEX 3.01 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou (Compass), QZSS a SBAS RINEX 3.02 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou (Compass), QZSS a SBAS změněna struktura hlavičky pro GLONASS měření RINEX 3.03 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou (Compass), QZSS, IRNSS a SBAS, RINEX-3-03-Release-Notes

6 RINEX název souboru ssssdddf.yyt ssss = identifikátor referenční stanice (přijímače) ddd = den roku prvního záznamu v souboru ( ) f = označení hodiny daného dne, pro kterou obsahuje soubor data; písmena a-x (a = 0-1 hodin, b = 1-2, x = 23-24), pokud soubor obsahuje data pro celý den, či větší část dne, f = 0 yy = kalendářní rok (2014 -> 14) t = typ souboru: O = observační N = navigační pro systém GPS G = navigační pro systém GLONASS L = navigační pro systém Galileo P = mixovaný navigační pro GNSS M = meteorologický

7 RINEX název souboru ssssdddf.yyt ID přijímače den v roce hodina/den rok typ souboru vsbo o referenční stanice VSBO, 19. den roku 2011, soubor s celodenním měřením, observační RINEX gope m referenční stanice GOPE, 152. den roku 2013, soubor s celodenním měřením, meteorologický RINEX lysh325d.12n referenční stanice LYSH, 325. den roku 2012, soubor s daty od hodin, RINEX s navigační zprávou systému GPS hodina/den všechny časové údaje jsou v UTC! Je potřeba si dávat pozor na časový posun (na území ČR jsme UTC+1 v případě zimního času a UTC+2 v případě letního času)

8 Tvoří jej dvě části: Observační RINEX (O) hlavička = obsahuje informace o místě, času a typu pořízených observací tělo = obsahuje samotné observace v určitém pravidelném intervalu (obvykle 1 nebo 30 s) Hatanaka komprese používaná obvykle u souborů uložených / archivovaných na ftp serverech typ souboru má označení d (poslední znak názvu souboru) pro použití souboru je potřeba provést jeho dekompresi (utilita crx2rnx.exe)

9 Observační RINEX hlavička souboru

10 Observační RINEX tělo souboru +++ hlavička záznamu datum, čas, seznam observovaných družic s jejich PRN kódy (G = GPS, R = GLONASS) skupina observací k jedné družici platná pro čas záznamu, pořadí observací je dáno dle pořadí typů observací uvedeného v hlavičce RINEXu +++ následuje další záznam

11 Observační RINEX struktura záznamu Měření k družici systému GPS s PRN kódem 5 dne čase 0:00:00, 8 typů observací dle pořadí uvedeného výše v hlavičce (C1, P1, P2, C2, ) kódová měření = pseudovzdálenost v metrech fázová měření = počet vlnových délek chybějící observace jsou vyplněny mezerami či hodnotou Pro každou observaci jsou vymezena 3 desetinná místa 4. pozice za desetinnou tečkou = indikátor ztráty signálu (Loss of Lock) 5. pozice za desetinnou tečkou = indikátor síly signálu v intervalu 1 9 (0 = neznám, 1 = minimum, 5 = prahová hodnota pro silný signál, 9 = maximum)

12 Navigační RINEX (N, G, L, P) Tvoří jej dvě části: hlavička = obsahuje informace o místě, času pořízených observací tělo = obsahuje samotné navigační zprávy pro jednotlivé družice systému při post-processingu měření obvykle místo originální navigační zprávy využíváme přesné produkty (efemeridy družic, korekce hodin, )

13 Navigační RINEX - struktura Korekce ionosféry časové parametry efemeridy, korekce hodin a další parametry pro družici systému GPS s PRN kódem 5 platné pro čas 0:00 Interval záznamů pro jednotlivé družice je 2 hodiny (v celodenním souboru pro 1 družici nalezneme 13 záznamů začíná a končí o půlnoci)

14 Meteorologický RINEX (M) Slouží pro uložení naměřených hodnot meteorologických veličin v místě referenční stanice při post-processingu jej používáme zřídka (pouze při detailnějším zájmu o parametry troposféry) obvykle měřené veličiny = atmosférický tlak vzduchu, teplota vzduchu, relativní vhlkost tvoří jej dvě části: hlavička = obsahuje informace o místě, času a typu pořízených meteorologických měření tělo = obsahuje samotná meteorologická měření

15 Meteorologický RINEX - struktura Interval záznamu dat je obvykle 1 15 minut

16 Efemeridy družic Zásadní vstupní datový zdroj, využíváme přesných produktů (pro post-processing, ale možnost i pro real time) obvykle ze dvou zdrojů IGS, CODE (viz přednáška 2) formát SP3 (Standard Product 3): aktuálně verze c textový interval záznamu 15 minut (navigační zpráva = 120 minut) kromě efemerid družic obsahuje korekce chyb hodin družic ve stejném intervalu (15 minut) indikátory přesnosti efemerid

17 Formát SP3 název souboru produkty IGS: tttwwwwd_hh.sp3 ttt = označuje typ řešení: igs = IGS final igr = IGS rapid igu = IGS ultra rapid wwww = GPS týden d = den v GPS týdnu (0 první den, 6 sedmý den) _hh = označuje hodinu vydání produktu (0, 6, 12, 18), tato část názvu je uvedena pouze u ultra rapid produktů, které zahrnují predikované efemeridy = u produktů final či rapid tato část názvu souboru není!

18 Formát SP3 název souboru produkty CODE: CODwwwwd.EPH_x wwww = GPS týden d = den v GPS týdnu (0 první den, 6 sedmý den) EPH = přípona souboru, znamená totéž co SP3 _x = označuje typ řešení: soubor bez _x = CODE final _R = CODE rapid _U = CODE ultra rapid _P = CODE predicted pro 0-24 hodin _P2 = CODE predicted pro hodin _P5 = CODE predicted pro hodin

19 Formát SP3 název souboru IGS tttwwwwd_hh.sp3 typ řešení GPS týden den týdne hodina vydání produktu CODE CODwwwwd.EPH_x GPS týden den týdne typ řešení igr17736.sp3 IGS rapid řešení pro šestý den GPS týdne 1773 ( ) igu17730_12.erp IGS ultra rapid řešení pro první den GPS týdne 1773 ( ) vydané v UTC observované efemeridy pro periodu * *00, predikované efemeridy pro * *00 COD17802.EPH_P CODE predikované řešení pro druhý den GPS týdne 1780 ( ), predikované efemeridy pro *00 23*45

20 Formát SP3 hlavička datum/čas prvního záznamu počet záznamů (epoch), způsob určení efemerid, souřadnicový systém, typ efemeridy, název instituce, která soubor vytvořila časové údaje platnosti efemerid GPS týden, počet sekund od začátku GPS týdne, interval záznamu v s, Modifikovaný Juliánský den (MJD), určení části dne pro první záznam v souboru seznam družic obsažených v souboru dle jejich PRN kódu (G = GPS, R = GLONASS) exponenty celkové přesnosti určení efemerid pro jednotlivé družice vyjádřené v mm, příklad: pokud exponent = 5, výsledná přesnost určení efemerid => 2 5 = 32 mm soubor igr17730.sp3 informace o typu produktu a způsobu jeho vytvoření

21 Formát SP3 hlavička GPS + GLONASS exponent 8, přesnost určení efemerid 2 8 = 25.6 cm upozornění na čistě predikované efemeridy v souboru soubor COD17802.EPH_P

22 Formát SP3 tělo soubor igr17730.sp3 jeden řádek = údaje pro jednu družici platné pro datum / čas v hlavičce záznamu PRN kód družice; X, Y, Z souřadnice družice v metrech; korekce hodin družice vůči GPS času v mikrosekundách exponenty pro určení směrodatné odchylky přesnosti efemeridy v ose x, y, z a korekce hodin

23 Korekce hodin na družicích / hodin přijímačů formát SP3 poskytuje efemeridy družic a korekce hodin na družicích s 15minutovým intervalem pro některá velmi přesná zpracování GNSS měření (zejména ta založená na nediferencovaných observacích) je však vhodné použití korekcí hodin s kratším intervalem => formát CLK formát CLK (clock RINEX): poskytuje korekce hodin na družicích a korekce hodin přijímačů vybrané sady referenčních stanic textový interval záznamu 5 s - 5 min aktuálně verze 3.02 CLK soubory jsou dostupné pouze ve verzích produktů rapid a final, tedy jen pro post-processing měření!

24 Formát CLK název souboru produkty IGS: tttwwwwd.clk_x ttt = označuje typ řešení: igs = IGS final igr = IGS rapid wwww = GPS týden d = den v GPS týdnu (0 první den, 6 sedmý den) _x = označuje interval řešení: - bez _x = 5 min interval - _30s = 30s interval produkty CODE: CODwwwwd.CLK_x wwww = GPS týden d = den v GPS týdnu (0 první den, 6 sedmý den) _x = označuje typ/interval řešení: - bez _x = CODE final, 30 s interval - _05s = CODE final, 5 s interval - _R = CODE rapid, 30 s interval

25 Formát CLK hlavička Obsahuje informace o způsobu vytvoření souboru, seznam referenčních stanic a družic GNSS, pro které jsou v souboru uvedeny korekce hodin soubor igs17736.clk

26 Formát CLK tělo Řádek se záznamem pro přijímač s těmito informacemi dle pořadí na řádku: - typ korekce hodin - ID referenční stanice (4 znaky) - datum a čas - počet údajů, které následují (v tomto případě 2) - korekce hodin přijímače v s - směrodatná odchylka korekce v s řádek se záznamem pro družici struktura záznamu je stejná, jen identifikátor družice má 3 znaky Následují záznamy pro další časový interval soubor igs17736.clk

27 Parametry rotace Země parametry nutné pro transformaci mezi terestrickým a inerciálním referenčním systémem formát ERP (Earth Rotation Parameters): poskytuje aktuální údaje o souřadnicích pólu, korekci délky dne, rozdílu mezi UT1 a UTC textový řešení platné pro určitý časový interval (final a rapid produkty 1x den, ultra rapid 4 x den = co 6 h) v rámci Bernese GPS SW jsou soubory s parametry rotace Země ve formátu ERP označovány příponou IEP

28 Formát ERP název souboru produkty IGS: tttwwwwd_hh.erp ttt = označuje typ řešení: igs = IGS final igr = IGS rapid igu = IGS ultra-rapid wwww = GPS týden d = den v GPS týdnu (0 první den, 6 sedmý den, 7 řešení pro celý týden) _hh = označuje hodinu vydání produktu (0, 6, 12, 18), tato část názvu je uvedena pouze u ultra rapid produktů, které zahrnují predikci produkty CODE: CODwwwwd.ERP_x wwww = GPS týden d = den v GPS týdnu (0 první den, 6 sedmý den, 7 řešení pro celý týden) _x = označuje typ/interval řešení: soubor bez _x = CODE final _R = CODE rapid _U = CODE ultra rapid _P, _P2, _5D = CODE predicted

29 Formát ERP MJD = Modifikovaný Juliánský den (Modified Julian Date) rozdíl v čase UT1-UTC korekce polohy zemského pólu (X, Y) korekce délky dne IGS final řešení pro 7 dní soubor igs17737.erp

30 Souřadnice referenčních stanic souřadnice jsou základním parametrem, který určujeme při GNSS měření v případě síťového řešení při procesu předzpracování měření, určování dvojic přijímačů pro základny či očišťování observací od vlivů působících na signály však již souřadnice přijímače potřebujeme také. čím je zdroj těchto vstupních souřadnic přesnější a aktuálnější, tím lépe = souřadnice referenčních stanic nejsou v čase dlouhodobě konstantní, jejich hodnoty se vážou vždy k určité epoše pokud nemáme k dispozici souřadnice místa měření alespoň s přesností prvních dm a potřebujeme data z tohoto přijímače zahrnout do síťového zpracování, je vhodné dostupné souřadnice nejprve zpřesnit - ideálně s využitím PPP řešení

31 Souřadnice referenčních stanic souřadnice referenčních stanic jsou poskytovány provozovateli sítí v případě globálních sítí IGS či EUREF jsou souřadnice stanic poskytovány pro denní či týdenní epochy ve formátu CRD či SINEX v případě národních (komerčních sítí) v ČR jsou poskytovány jen dlouhodobě platné souřadnice, které jsou průběžně ověřovány monitoringem VÚGTK (Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický)

32 Souřadnice referenčních stanic formát CRD (Coordinates): poskytuje souřadnice vybraných referenčních stanic platné pro určitou epochu textový obvykle k dispozici denní/týdenní řešení

33 Formát CRD informace o typu řešení a jeho délce tady týdenní souřadnicový systém, epocha platnosti souřadnic způsob určení souřadnic při zpracování ID stanice, DOME kód stanice, X, Y, Z souřadnice stanice v metrech eur17717.crd

34 Souřadnice referenčních stanic formát SINEX (Solution (Software/technique) Independent Exchange Format): nezávislý výměnný formát pro uložení výsledků řešení zpracování GNSS měření (obdoba s RINEX) poskytuje souřadnice zpracovaných referenčních stanic včetně vyjádření rychlosti a směru pohybu jejich změn (velocity) platné pro určitou epochu obsahuje ale celou řadu dalších údajů (informace o přijímačích/anténách referenčních stanic, parametry rotace Země, statistické zhodnocení výsledků zpracování, atd.) textový uveřejňován jednotlivými analytickými centry zpracovávajícími sítě stanic, umožňuje vytvářet kombinovaná řešení

35 Formát SINEX - hlavička gop17711.snx

36 Parametry troposféry troposféra je jednou částí atmosféry, která ovlivňuje GNSS měření pokud provádíme post-processing s využitím referenčních stanic zahrnutých do sítě EUREF či IGS, můžeme využít parametry troposféry vypočtené z řešení poskytovanými těmito sítěmi -> primárně chceme eliminovat vliv troposféry opačná situace -> primárně chceme určit parametry troposféry pro stanice nezahrnuté do EUREF apod.

37 Parametry troposféry formát TRO (Troposphere Parameters): nezávislý výměnný formát pro uložení parametrů troposféry (celkové zpoždění signálu vlivem troposféry v zenitovém směru nad stanicí = ZTD, Zenith Total Delay) textový uveřejňován jednotlivými analytickými centry zpracovávajícími sítě stanic / kombinovaná řešení EUREF / řešení CODE nebo IGS (opět různé verze = final, rapid či observované ultra rapid) totožná struktura názvu jako v případě produktů s efemeridami družic či korekcí hodin může být výstupem zpracování vlastních GNSS měření

38 Formát TRO - hlavička informace o tvůrci a obecných parametrech řešení nastavení výpočtu parametrů troposféry (min. elevační úhel, interval observací, interval výpočtu ZTD, použitý model troposféry) seznam stanic s jejich souřadnicemi gop17713.tro

39 Formát TRO - tělo jeden řádek = jeden záznam údaje dle pořadí ID stanice; epocha (rok:den v roce:počet sekund od počátku dne); ZTD v mm, směrodatná odchylka určení ZTD v mm gop17713.tro

40 Parametry ionosféry ionosféra je druhou částí atmosféry, která ovlivňuje GNSS měření obecně je naším primárním cílem eliminace vlivu ionosféry (využití korekcí v navigační zprávě, lineární kombinace signálů na dvou frekvencích, globálních ionosférických map, apod.) opačná situace -> primárně chceme určit parametry ionosféry, vědecko-výzkumné aplikace

41 Parametry ionosféry formát IONEX (Ionosphere Map Exchange Format): nezávislý výměnný formát pro mapy ionosféry v podobě hodnot celkového počtu elektricky nabitých částic (TEC Total Electron Content) v pravidelné síti buněk nad celou Zemí hodnoty jsou poskytovány pro průsečíky buněk sítě (obvykle 5 x 2.5 ), pro konkrétní polohu jsou při zpracování interpolovány textový uveřejňován primárně poskytovateli přesných produktů = IGS, CODE (opět různé verze včetně predikovaných) CODE distribuuje parametry ionosféry také ve vlastním formátu ION použitelném v Bernese GPS SW

42 IONEX název souboru sssgddd0.yyi sss = identifikátor poskytovatele/typu řešení (např. igr igs rapid, igs igs final, cod code final, cor code rapid, cop code predicted) g = označení pro globální model ddd = den roku prvního záznamu v souboru ( ) yy = kalendářní rok (2014 -> 14) i = označení pro IONEX soubor

43 Formát IONEX - hlavička interval tvorby ion. map je 2 hodiny, proto jich celodenní soubor obsahuje 13 definice globální sítě buněk a jejich velikosti v tomto případě 1 buňka = 2.5 ve směru zem. šířky a 5 ve směru zem. délky (typické hodnoty) igrg i

44 Formát IONEX - tělo igrg i identifikace buňky sítě a způsobu řazení hodnot v záznamu: číslo na první pozici představuje zem. šířku všech hodnot záznamu, mění se zem. délka v rozsahu hodnot na pozici 2 a 3 o inkrement daný na pozici 4 jelikož je inkrement 5, je v záznamu 72 hodnot TECU (360 /5 = 72)

45 Kalibrace fázových center antén přijímačů problematika fázových center přijímačů probrána na přednášce 2 formát ANTEX (Antenna Exchange Format): nezávislý výměnný formát poskytující data pro korekce vlivu fázových center antén přijímačů obsahuje kalibrace pro faktickou většinu antén geodetických přijímačů a také pro antény přijímačů umístěných na družicích textový poskytován IGS aktualizace souboru jsou prováděny dle potřeby (vydání nové antény, vypuštění nové družice, )

46 ANTEX název souboru igs08_wwww.atx _wwww = GPS týden, kdy byl daný soubor uveřejněn (igs08.atx obvykle označuje aktuálně platný soubor)

47 Formát ANTEX - tělo Informace o přijímači/anténě a procesu stanovení kalibraci Samotné kalibrační hodnoty pro jednotlivé frekvence (zde L1 pro GPS = G01). Druhý řádek (NORTH / EAST / UP) představuje rozdíl v poloze průměrného fázového centra přijímače v mm vůči referenčnímu bodu antény. Následují řádky s úpravnými korekcemi v mm vlivem azimutu/elevace observace - řádek NOAZI obsahuje korekce bez zahrnutí vlivu azimutu observace, následující řádky jsou pak pro jednotlivé azimuty observací hodnoty na řádku jsou pro jednotlivé kroky vzrůstajícího elevačního úhlu observace (0 90, inkrement 5 - viz řádek ZEN1 / ZEN2 / DZEN v hlavičce záznamu)!tato ukázka souboru není pro zajištění čitelnosti kompletní = neobsahuje celé řádky záznamů! IGS08.atx

48 Diferenční kódové bias problematika diferenčních kódových bias probrána na přednášce 2 formát DCB (Differential Code Biases): textový formát poskytující korekce rozdílů mezi HW zpožděními různých kódových měření v nanosekundách poskytován CODE aktualizace souboru jsou prováděny denně soubor obsahuje korekce platné vždy pro předcházejících 30 dní korekce jsou uvedeny pro jednotlivé družice systémů GPS (označení G + PRN kód družice) a GLONASS (označení R + PRN) název souboru (dle typu obsažených korekcí): P1C1.DCB P1P2.DCB P2C2.DCB

49 observace Shrnutí Typ dat Formát Zdroj efemeridy, korekce hodin družic s 15min. intervalem parametry rotace Země kalibrace fázových center antén přijímačů souřadnice stanic korekce hw zpoždní kódových měření RINEX vlastní měření x referenční stanice Potřeba pro zpracování nutné SP3 IGS, CODE potřebné ERP IGS, CODE potřebné ANTEX IGS potřebné CRD DCB IGS, EUREF, provozovatel sítě CODE parametry ionosféry IONEX IGS, CODE korekce hodin družic s kratším intervalem CLK IGS, CODE potřebné / vhodné potřebné / vhodné vhodné / volitelné vhodné / volitelné parametry troposféry TRO IGS, CODE, EUREF volitelné

50 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, ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/station/general/