Úvod do oblasti zpracování přesných GNSS měření Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 1.
Osnova přednášky Globální navigační družicové systémy Důvody pro zpracování / post-processing GNSS měření, princip Obecné metody měření Referenční stanice Přehled software pro zpracování GNSS měření IGS, EUREF
Globální navigační družicové systémy k určení polohy, času, rychlosti pohybujícího se objektu a navigace kdykoli a kdekoli na Zemi a v jejím přilehlém okolí existující systémy: - Navstar GPS (USA, vývoj od 1973, provoz od 1995, vojenský) - Glonass (Rusko, vývoj od 1976, provoz od 1995, vojenský) - Galileo (Evropská Unie, vývoj od 2000, provoz od 2022?, civilní) - Beidou 2 / Compass (Čína, vývoj od 2000, provoz 2020?, vojenský)
Důvody pro pokročilá zpracování GNSS měření Za účelem zvýšení dosažené kvality výsledků u GNSS měření nejčastěji pro dosažení vyšší přesnosti určení polohy místa měření = souřadnic další důvody: monitorování změn souřadnic místa měření v čase (zemětřesení, dlouhodobé změny vlivem pohybu kontinentů, ) výpočet parametrů troposféry, ionosféry = kvantifikace vlivu atmosféry na GNSS měření a využití této znalosti pro další účel stanovení přesných efemerid družic, korekcí hodin na družicích apod. zpracování statistik o kvalitě provedených měření
Pokročilá zpracování GNSS měření z pohledu času Existují dvě základní varianty: post-processing (PP) = opětovné zpracování dat uskutečněné až po jejich sběru (hodinu, den, rok po měření) real-time (RT) = přesná měření některou z technik prováděná přímo v reálném čase = ihned získáváme přesné souřadnice či jiné produkty u některých aplikací je častá také varianta near real-time (NRT), kdy provádíme post-processing, ale co nejdříve je to možné (obvykle do několika desítek minut od observací limitujícím faktorem je typicky rychlost získání dat z jiných přijímačů pro výpočet korekcí či síťového řešení)
Princip pokročilých zpracování GNSS měření 1. pořízení surových dat měření polohy bodu v terénu (obvykle autonomní měření o různé délce trvání sekundy až desítky hodin) 2. získání dodatečných dat potřebných pro zpřesnění prvotních souřadnic / výpočet parametrů spojených s GNSS měřeními (přesné efemeridy družic, korekce hodin, data z jiných přijímačů, apod.) 3. zpracování dat ve specializovaném software přímo v přijímači či na externím PC vybranou technikou (RTK, PPP, síťové řešení, )
Obecné metody měření s GNSS Autonomní vyžaduje jediný přijímač Diferenční jeden přijímač, který měří jeden nebo více referenčních přístrojů, které poskytují korekce
Autonomní metoda měření Klasická metoda měření 1 přijímač využití nejčastěji kódových měření na 1 frekvenci využití palubních oběžných drah družic (efemeridy družic) a korekcí chyb hodin družic z navigační zprávy průměrování = několikanásobné změření bodu a výpočet výsledné polohy průměrováním
Autonomní metoda měření Precise Point Positioning (PPP) 1 přijímač využití kódových + fázových měření na 2 frekvencích (případně na 1 frekvenci) využití přesných efemerid družic (oběžné dráhy), oprav chyb hodin družic, korekcí vlivu ionosféry, případně korekcí dalších nepříznivých vlivů stále častěji využívaná metoda!
Diferenční metoda měření 1 přijímač stabilizován na bodě o známých souřadnicích, umožňuje výpočet korekcí (BASE) 1 přijímač se pohybuje v terénu a slouží k měření bodů (ROVER) princip = měření prováděná ve stejném čase a v relativní vzájemné blízkosti, prováděná ke stejným družicím, jsou zatížena stejnými/podobnými chybami! vzdálenost mezi BASE a ROVER ideálně < 30 km
Diferenční metoda měření Jak vnést korekce do měření? zpracováním po měření (Post-processing) naměřené souřadnice zpřesňujeme až po měření potřeba software pro zpracování přesnější v reálném čase (typicky metoda RTK) naměřené souřadnice zpřesňujeme přímo v terénu při měření potřeba spojení se zdrojem korekcí (internet / rádiová komunikace) náročné na infrastrukturu
Diferenční metoda měření Zdroje korekcí vlastní BASE dočasně stabilizovaná na známém bodě neplatíme za korekce náročné na vybudování permanentní referenční stanice trvale stabilizovaná referenční stanice za korekce platíme v ČR aktuálně 3 komerční sítě referenčních stanic
Permanentní referenční stanice Trvale stabilizovaný geodetický GNSS přijímač, jehož souřadnice jsou určeny s vysokou přesností provádí kontinuální měření (obvykle v 1s intervalu) jejím primárním účelem je možnost stanovení korekcí pro diferenční metodu měření pro geodetickou komunitu korekce jsou poskytovány v reálném čase typicky s využitím NTRIP a surová data jsou pro post-processing ukládána ve formátu RINEX či nativním formátu výrobce přijímače
Permanentní referenční stanice v ČR Současně celkem 5 sítí referenčních stanic (celkem 106 stanic na území ČR): Vesog (Výzkumná a experimentální síť pro observace s GNSS) = vědecká síť, 11 stanic, http://oko.pecny.cz/vesog/index.html Geonas (Geodynamická síť Akademie věd České republiky) = vědecká síť, 22 stanic, http://www.geonas.irsm.cas.cz/ Czepos (Česká síť permanentních stanic pro určování polohy) = komerční síť provozovaná ČÚZK, 23 stanic, http://czepos.cuzk.cz/ TopNET = komerční síť provozovaná společností GB-geodezie, 21 stanic, http://topnet.gb-geodezie.cz/topnet/ Trimble VRS Now Czech = komerční síť provozovaná společností Trimble, 29 stanic, http://geotronics.cz/produkty/gnss-korekce/ositi/
Permanentní referenční stanice v ČR
EUREF Permanent Network Evropská síť referenčních stanic 318 aktivních stanic (únor 2018) data ze stanic jsou zdarma k dispozici ve formátu RINEX (některé stanice poskytují data i v reálném čase) kromě observačních dat je poskytována i podpora v podobě: přesných souřadnic referenčních stanic (pravidelná týdenní řešení, dlouhodobé souřadnice + velocity) korekce vlivu atmosféry (pravidelná týdenní řešení) korekce palubních efemerid a chyb hodin v reálném čase re-processing řešení souřadnic a korekce vlivu troposféry od roku 1996
EUREF Permanent Network
IGS International GNSS Service Mezinárodní civilní asociace pro podporu GNSS měření tvořená desítkami přispívajících organizací (z ČR pouze VÚGTK Pecný) podporuje vývoj a výzkum v oblasti GNSS zdarma poskytuje služby: přesné efemeridy družic (primárně GPS a GLONASS) korekce chyb hodin družic a chyb hodin vybraných přijímačů sítě IGS přesné souřadnice referenčních stanic sítě IGS parametry rotace Země korekce vlivu ionosféry, atmosféry korekce palubních efemerid a chyb hodin v reálném čase
Síť referenčních stanic IGS Zdroj: http://igscb.jpl.nasa.gov/images/maps/all_world.png
Družicové systémy pro zpřesňování polohy Systémy pro regionální zpřesňování určení polohy a času = Satellite Based Augumentation Systems (SBAS) princip = pozemní síť přesných GNSS přijímačů slouží k výpočtu korekcí -> ty jsou přenášeny na geostacionární družice a následně přijímány běžnými GNSS přístroji SBAS umí používat velká část low-end zařízení (turistické, automobilové přijímače) přesnost určení polohy = cca 1 m
Družicové systémy pro zpřesňování polohy zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/gnss_augmentation
Shrnutí metod a jejich řádově dosažitelných přesností Metoda měření Typická přesnost určení polohy Potřeba korekcí Autonomní 3 10 m Ne Autonomní s SBAS 1 m Ano (globální) DGPS (kódová měření) 60 cm Ano (lokální) DGPS (fázová měření), RTK, síťové RTK PPP post-processing/v reálném čase* Síťové zpracování, post-processing, NRT <15 cm Ano (lokální) <5 cm/<30 cm Ne <5 cm Ne * Aktuálně předmět vývoje a testování
Programové prostředky pro zpracování GNSS měření dva hlavní typy aplikací: pro geodetickou komunitu = primárně pro diferenční metodu měření (umožňují vnášet korekce do měření ROVERu a zpřesnit určení jeho polohy, pokud máme k dispozici surová data z BASE pro čas měření), některé umožňují zpracování technikou PPP; obvykle komerční aplikace vyvíjené výrobci GNSS přijímačů (Topcon Tools, GPS Pathfinder Office, Giodis, Waipoint, ) vědecké aplikace = pro techniku Precise Point Positioning / dvojitých diferencí; specializované aplikace pro komplexní zpracování GNSS měření; kromě výpočtu přesných souřadnic umožňují výpočet parametrů atmosféry, přesných efemerid družic, apod.; aplikace komerčního charakteru vyvíjené obvykle vědecko-výzkumnými institucemi (Bernese GPS, Gamit, Gipsy- Oasis, RTKLib, )
Magnet Office Tools Komerční modulární software pro zpracování měření ze všech zařízení společnosti Topcon Post-processing GNSS měření je jen malou částí SW, který je celkově široce orientován Vývoj: Topcon možnost zahrnutí přesných efemerid družic při zpracování https://www.topconpositioning.com/magnet-productivity-suite/magnetoffice-solutions/magnet-office-tools
GPS Pathfinder Office Komerční software pro zpracování měření z GNSS přijímačů společnosti Trimble vývoj: Trimble podpora post-processing DGPS pro statická a kinematická měření na základě kódových či kombinace kódových a fázových měření pro GPS i GLONASS měření http://www.trimble.com/mappinggis/pathfinderoffice.aspx
Giodis Komerční komplexní software pro zpracování měření z GNSS přijímačů vývoj: Javad zpracování s využitím nediferencovaných či dvojitědiferencovaných observací v rámci síťového řešení (řešení ambiguit pro základny s délkou až 2 000 km) kromě výpočtu souřadnic možnost stanovení parametrů troposféry, ionosféry, korekcí chyb hodin přijímačů a družic http://javad.com/jgnss/products/software/giodis.html
Waypoint Komerční software pro zpracování měření z GNSS přijímačů, možnost kombinace s daty z inerciálních čidel vývoj: Novatel zpracování s využitím nediferencovaných či dvojitědiferencovaných observací v rámci síťového řešení pro statická i kinematická měření možnost zahrnutí přesných efemerid družic a korekcí chyb hodin při zpracování podpora redukce vlivu troposféry, ionosféry http://www.novatel.com/products/software/
Bernese GPS SW Komerční komplexní vědecký software pro zpracování měření z GNSS přijímačů vývoj: Astronomický institut univerzity v Bernu - provozuje také CODE (Center for Orbit Determination in Europe) publikující přesné produkty efemerid, atd. aktuálně verze 5.2 základem je síťové řešení s využitím dvojitých diferencí, implementováno je však také PPP řešení obojí pro statická i kinematická měření zpracování dat ze systémů GPS, GLONASS, GALILEO 1 i 2 frekvenční měření řešení ambiguit pro observace z velmi dlouhých základen (> 2 000 km)
Bernese GPS SW možnost zahrnutí těchto vlivů/parametrů: - přesné efemeridy družic a korekce chyb hodin družic / přijímačů - aktuální parametry rotace Země - externí data pro redukci vlivu troposféry, ionosféry - korekce slapových vlivů - korekce pohybu tektonických desek - korekce fázových center antén družic a přijímačů kromě výpočtu souřadnic možnost stanovení parametrů troposféry, ionosféry, přesných efemerid družic, korekcí chyb hodin, parametrů rotace Země http://www.bernese.unibe.ch/
RTKLib Open source komplexní software pro zpracování měření z GNSS přijímačů podpora DGPS, PPP (statické, kinematické) v režimu post-processingu i v reálném čase (RTCM streamy) možnost zpracování dat ze systémů GPS, Glonass, Galileo, Beidou, SBAS modelování vlivu troposféry, ionosféry, slapových vlivů možnost zahrnutí přesných efemerid družic, korekcí chyb hodin, korekcí fázových center antén přijímačů http://www.rtklib.com/
Gamit komplexní vědecký software pro zpracování měření z GNSS přijímačů (dostupný zdarma pro nekomerční účely) vývoj: Institut technologií v Massachusetts (MIT) zpracování dat s využitím síťového řešení a dvojitýchdiferencí možnost zahrnutí přesných efemerid družic a korekcí hodin, kalibračních parametrů antén přijímačů, možnost výpočtu parametrů troposféry, přesných efemerid družic, korekcí hodin, parametrů rotace Země verze jen pro OS UNIX/Linux http://www-gpsg.mit.edu/~simon/gtgk/
Gipsy-Oasis komplexní vědecký software pro zpracování měření z GNSS přijímačů (dostupný zdarma pro nekomerční účely) vývoj: Jet Propulsion Laboratory (NASA) zpracování dat technikou PPP (statické, kinematické) možnost zahrnutí přesných efemerid družic a korekcí chyb hodin, redukce vlivu troposféry a ionosféry, korekce slapových jevů, fázových center antén přijímačů, možnost výpočtu parametrů troposféry, přesných efemerid družic, korekcí chyb hodin https://gipsy-oasis.jpl.nasa.gov/
BKG Ntrip Client (BNC) Open source software pro oblast GNSS zaměřený na práci v reálném čase na vývoji se podílí ČVÚT Praha zpracování observací v reálném čase technikou PPP (statická x kinematická měření) příjem, zpracování, správa dat v reálném čase z RTCM streamů (případně z TCP či lokálního portu) generování korekcí pro palubní efemeridy družic a chyby hodin na družicích v reálném čase a jejich distribuce http://igs.bkg.bund.de/ntrip/download
Zdroje OOSA (The United Nations Office for Outer Space Affairs), Current and Planned Global and Regional Navigation Satellite Systems and Satellite-based Augmentations Systems, Rakousko, 2010 Dach, R. et al. Bernese GPS Software, Version 5.0, Astronomický institut univerzity v Bernu, Švýcarsko, 2007 Hofmann-Wellenhof, B. et al. GNSS Global Navigation Satellite Systems, Springer, 2008 http://geomatics.fsv.cvut.cz/research/gnss-center-software/