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/