Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický, v.v.i. Geodetická observatoř Pecný Permanentní GNSS stanice Kunžak rozšíření o sledování systému Galileo Dokumentace funkčního vzorku Jakub Kostelecký Popisovaný funkční vzorek byl vytvořen s finanční podporou Technologické agentury, program BETA, v rámci projektu TB01CUZK006 Implementace národní geodetické infrastruktury pro výzkumné a vývojové potřeby v českém rezortu zeměměřictví a katastru a v rámci mezinárodního projektu Globální geodetický observační systém (GGOS). Ondřejov, listopad 2014
Úvod Popisovaný funkční vzorek vznikl v rámci rozšíření GNSS permanentní stanice Kunžak (síť VESOG) o pozorování systému Galileo, který byl realizován v rámci projektu TB01CUZK006 Implementace národní geodetické infrastruktury pro výzkumné a vývojové potřeby v českém rezortu zeměměřictví a katastru a v rámci mezinárodního projektu Globální geodetický observační systém (GGOS) programu BETA Technologické agentury České republiky, jehož gestorem je Český úřad zeměměřický a katastrální. Cílem je vylepšit permanentní GNSS stanici Kunžak tak, že bude schopna pořizovat měření z navigačních systémů GPS NAVSTAR, GLONASS a Galileo a odesílat je do datových center služby EPN (EUREF Permanent Network). Služba EPN Služba EPN (EUREF Permanent Network) byla založena roku 1994 jako služba provozující permanentní GNSS stanice na území Evropy a v jejím blízkém okolí. Primárním cílem bylo naplňovat požadavky komise EUREF (EUropean REference Frame) pro definování a udržování Evropského referenčního souřadnicového systému ETRS (European Terrestrial Reference Frame). S postupujícím časem byly k primárnímu cíli přidruženy další cíle např. sledování troposférických parametrů pro klimatologické studie. Služba vždy usiluje o zajištění do nejkvalitnějších pozorování. V této souvislosti též podporuje sledování nově vznikajících družicových navigačních systémů původně to byl GLONASS, v současnosti je to především evropský Galileo, ale též systém QZSS (Japonsko) a systém BeiDou (Čína). Rozšíření pozorování stanice Kunžak (KUNZ) umožní její zařazení též do projektu MGEX. Projekt MGEX Projekt MGEX (Multi-GNSS Experiment) byl vyhlášen v polovině roku 2011 Mezinárodní GNSS službou (International GNSS Service IGS) pro zřízení experimentální sítě permanentních GNSS stanic, které budou uzpůsobeny pro pořizování dat z nových navigačních systémů především Galileo, ale též systém QZSS (Japonsko) a systém COMPASS BeiDou (Čína) a pro vytvoření a otestování přenosu nových dat pomocí nové verze formátu RINEX (Receiver Independent EXchange) 3.00, 3.01 nebo 3.02. Řešený problém Dosavadní permanentní GNSS stanice KUNZ stejně jako dalších 8 stanic Výzkumné a experimentální sítě pro observace s GNSS VESOG, které jsou spravovány operačním centrem na Geodetické observatoři Pecný poskytuje data podle schématu na obr. 1. 2
Obr. 1 schéma získávání a odesílání dat s využitím staničního počítače Při této konfiguraci je přijímač připojen ke staničnímu počítači. GNSS přijímač je ovládán pomocí firemního software, který je spuštěn na staničním počítači, a naměřená data v reálném čase posílá přijímač do firemního software, který zajišťuje jejich uložení do souborů na disk. Dále je na staničním počítači instalován software AUTOGEN, který je spouštěn operačním systémem Windows ve stanovených intervalech a který data uložená v souborech na disku konvertuje do formátu RINEX verze 2.10 pomocí interní procedury OBSRINEX. K datům ve formátu RINEX jsou připojena meteorologická data konvertovaná do formátu Meteo RINEX, která byla získána pomocí zaznamenávání měření čidel programem LOGSENS, který též běží na staničním počítači. Připravené soubory ve formě balíčku RINEX 2.10 zašle staniční počítač pomocí protokolu FTP či SCP na server operačního centra. Přijatý balíček dat je pomocí programu PMAINDAT spouštěného v pravidelných intervalech operačním systémem Linux rozdělen na jednotlivé RINEXy, je provedena kontrola úplnosti a pomocí interní procedury OBSRINEX jsou vytvořeny nové soubory ve formátu RINEX, které jsou specifické podle toho, do jakého datového centra resp. do které služby/projektu jsou následně zaslány např. do Permanentní sítě EUREF jsou zasílány Compact RINEX soubory s intervalem záznamu 30 sekund, které jsou komprimované pomocí programu compress a mají pojmenování stanovené předpisem IGS, kdežto např. do sítě CZEPOS jsou zasílány RINEX soubory s intervalem záznamu 1 sekunda, které jsou komprimované pomocí programu PKZIP a jsou pojmenované dle zvyklostí sítě CZEPOS. Pro zapojení nového přijímače Trimble SPS855 do EPN a do IGS projektu MGEX je potřeba realizovat několik odlišností od zavedené konfigurace: a) GNSS přijímač je schopen přijímat i signály družic Galileo a Beidou. b) GNSS přijímač vytváří přímo soubory měřených dat ve formátu RINEX 3.02. 3
c) GNSS přijímač je schopen soubory odeslat pomocí protokolu FTP přímo na server operačního centra. d) Soubor ve formátu RINEX 3.02 je nutno konvertovat do formátu RINEX 2.10. e) Staniční počítač již nebude nezajišťovat distribuci dat z přijímače, ale pouze pořizování meteorologických dat a jejich zasílání na server operačního centra pro tvorbu balíčku RINEX dat. Popis funkčního vzorku Funkční vzorek rozšíření permanentní GNSS stanice Kunžak je úprava permanentní GNSS stanice s přihlédnutím k odlišnostem od zavedené konfigurace. Konfigurace permanentní GNSS stanice pro službu EPN a současně pro projekt MGEX je na obr. 2. Obr. 2 schéma získávání a odesílání dat z přijímače Trimble SPS855 GNSS přijímač zasílá soubory ve formátu RINEX 3.02 komprimované programem PKZIP pomocí protokolu FTP do zvláštního adresáře na serveru operačního centra. Díky novému programu METRNX, který je pravidelně spouštěn operačním systémem na Meteo počítači, jsou na server operačního centra posílána meteodata ve formátu Meteo RINEX. Program PMAINDAT je připojí ke zpracovávaným datům z přijímače. Spojená data jsou následně odeslána do datových center služby EPN a do datových center projektu MGEX. V operačním centru jsou balíčky dat tedy zpracovány periodicky spouštěným programem PMAINDAT, který pro manipulaci s daty ve formátu RINEX používá proceduru OBSRINEX. Ta byla rozšířena, aby byla schopna zpracovávat i data z navigačních systémů Galileo, QZSS a Beidou a provádí ředění dat (z intervalu záznamu 1 sekunda připraví data v intervalu záznamu např. 30 sekund), převod z formátu 4
RINEX 3.02 na formát RINEX 2.10 a tvorbu více výstupních souborů s různými parametry. Pomocí procedury NAVRINEX převede i navigační soubory ve formátu RINEX. Program PMAINDAT spolu s podřízenými programy následně zajišťuje odeslání dat do několika datových center EPN a do projektu MGEX. Všechny programy byly upraveny pro manipulaci i s novými soubory z navigačních systémů Galileo, QZSS a Beidou. Přijímač Trimble SPS855 ale nepořizuje navigační soubory systémů QZSS a Beidou. Dokumentace realizace Tato část popisuje detaily realizovaného funkčního vzorku. Pro rozšíření pozorování permanentní GNSS stanice Kunžak (KUNZ) o pozorování navigačních systémů GLONASS, Galileo a Beidou, které též umožňuje nově pořízený přijímač Trimble SPS855 v.č. 44098 viz obr. 3. Anténa Trimble Zephyr GNSS Geodetic II v.č. 5000118141 s individuálně určenými absolutními polohami fázových center firmou Geo++ ze dne 25.4.2014 viz obr. 4 byla pořízena pro stanici KUNZ, která pozoruje v rámci služby EPN a tímto rozšířením bude zapojena do projektu MGEX. Obr. 3 přijímač Trimble SPS855 na stanici KUNZ Anténa je umístěna na nucené centraci na pozorovací věži hvězdárny v Kunžaku viz obr. 4. V rámci sítě permanentních stanic služby EPN je stanice označena kódem KUNZ. Anténa je spojena 5
s přijímačem pomocí vysokofrekvenčního kabelu o délce 30 m. Signál je dále veden přes přepěťovou ochranu. Konstrukce antény a její předzesilovač umožňuje přijímat signály následujících navigačních systémů: - GPS NAVSTAR na frekvencích L1, L2 a L5, - GLONASS na frekvencích L1, L2 a L3, - Galileo na frekvencích E1, E5a, E5b a AltBOC, - SBAS na frekvencích L1 a L5, - QZSS na frekvencích L1, L2 a L5 a - BeiDou na frekvencích B1, B2 a B3. Obr. 4 anténa Trimble Zephyr GNSS Geodetic II na stanici KUNZ Přijímač je napájen přes zdroj z UPS (Uninterruptible Power Supply), jako další zálohu má přijímač interní baterie. Přijímač je dále připojen do místní chráněné (proxy) počítačové sítě hvězdárny. Nastavování přijímače a kontrola měření je prováděna pomocí interního webového rozhraní přijímače, přístupného po počítačové síti. Přijímač zpracovává signály navigačních systémů: - GPS NAVSTAR na frekvencích L1, L2(L2C) a L5, - GLONASS na frekvencích L1, L2 a L3, - Galileo na frekvencích E1, E5a, E5b a AltBOC, - SBAS na frekvenci L1 a L5, - QZSS na frekvencích L1, L2 a L5, - BeiDou na frekvencích B1, B2 a B3. 6
Přijímač ukládá v interní paměti soubory v binárním formátu T01 s intervalem záznamu 1 sekunda a délkou 1 hodina. Takto ukládaná post-procesing data jsou na konci naměřené hodiny automaticky překonvertována přijímačem do formátu RINEX 3.02 a ve formě zazipovaného CompactRINEXu jsou zaslána pomocí FTP relace na server operačního centra na počítači gopoc. Dále přijímač vytváří real-time data ve formátu RTCM v.3, které jsou odesílány protokolem NTRIP (modifikovaný protokol HTTP) přes Ethernet připojení přijímače do Internetu na NTRIP caster sítě VESOG. Post-procesing soubory jsou na serveru operačního centra zpracovávány. Soubory ve formátu RINEX 3.02 jsou pomocí programu PMAINDAT rozbaleny. Z původních hodinových souborů jsou vytvořeny tři typy výstupů: - soubor ve formátu RINEX 2.10 s intervalem záznamu 30 sekund, - soubor ve formátu RINEX 2.10 s intervalem záznamu 1 sekunda, který slouží pro archivaci, - soubor ve formátu RINEX 3.02 s intervalem záznamu 30 sekund. Celodenní soubory vznikají složením hodinových souborů. Jsou vytvářeny dva typy výstupů: - soubor ve formátu RINEX 2.10 s intervalem záznamu 30 sekund, - soubor ve formátu RINEX 3.02 s intervalem záznamu 30 sekund. Souběžně s přijímačem je na stanici Kunžak provozován deskový počítač, který zajišťuje registraci základních environmentálních parametrů. Vedle teploty vzduchu, relativní vlhkosti vzduchu a atmosférického tlaku, které jsou spolu s výškou hladiny podzemní vody ve vrtu a úhrny srážek registrovány s intervalem záznamu 1 minuta, jsou registrovány vlhkosti půdy v hloubkách 0,1 m, 0,5 m a 0,9 m s intervalem záznamu 10 minut. Takto pořizovaná data jsou každou hodinu pomocí nově upraveného programu METRNX převáděna do formátu Meteo RINEX a zasílána na server operačního centra na počítači gopoc. Tento soubor program PMAINDAT připojuje k ostatním datům ve formátu RINEX. Vytvořené soubory jsou odesílány do datových center služby EPN. Pro stanici KUNZ byla přiřazena tři datová centra: 1) OLG, Graz, Rakousko, kam jsou zasílány denní a hodinové soubory ve formátu RINEX 2.10, 2) BKG, Frankfurt n.m., Německo, kam jsou zasílány denní a hodinové soubory ve formátech RINEX 2.10 a do jiného adresáře též denní a hodinové soubory ve formátu RINEX 3.02, 3) GOP, Pecný/Ondřejov, Česká republika, kam jsou zasílány hodinové soubory ve formátu RINEX 2.10 7
Obr. 5 schéma toku real-time dat Tok real-time dat je zobrazen na obr. 5. Real-time data jsou z přijímače zasílány na NTRIP caster VESOG. Data ve formátu RTCM v.3 jsou zasílána na mountpoint KUNZ0. Zasílaní real-time streamu do služby EPN je na NTRIP casteru VESOG zařízeno pomocí kopírování real-time dat z casteru VESOG na NTRIP castery EPN. Závěr Realizací funkčního vzorku podle požadavků služby EPN a projektu MGEX bylo dosaženo kvalitativního zlepšení dat poskytovaných stanicí KUNZ. Vzorek byl vyzkoušen během provozu stanice KUNZ od září do listopadu 2013, zkouška proběhla bez funkčních závad. Funkční vzorek zajišťuje měření signálů nových navigačních systémů GLONASS, Galileo a BeiDou na permanentní GNSS stanici KUNZ pomocí nové GNSS aparatury Trimble SPS855 a upravených balíků programů METRNX a PMAINDAT zejména interní procedura OBSRINEX ve kterých je zajištěna podpora práce se soubory z nových navigačních družicových systémů Galileo a zejména BeiDou včetně konverze dat z formátu RINEX 3.02 na formát RINEX 2.10. 8