Úvod do oblasti zpracování přesných GNSS měření Ing. Michal Kačmařík, Ph.D. Pokročilé metody zpracování GNSS měření přednáška 1.
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/o-
siti/
− Geoorbit = komerční síť provozovaná společností Geoobchod,
30 stanic, https://www.geoorbit.cz/
Permanentní referenční stanice v ČR
EUREF Permanent Network
• Evropská síť referenčních stanic
• 342 aktivních stanic (únor 2020)
• 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://www.igs.org/network
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
<15 cm Ano (lokální)
PPP post-processing/v
reálném čase*
<5 cm/<30 cm Ne
Síťové zpracování,
post-processing, NRT
<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/magnet-
office-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 dvojitě-
diferencovaných 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 dvojitě-
diferencovaných 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 dvojitých-
diferencí
• 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/