Badanie dokładności serwisów precyzyjnego pozycjonowania systemu ASG-EUPOS

Transkrypt

1 WRONA Maciej 1 SKŁADANOWSKI Przemysław Badanie dokładności serwisów precyzyjnego pozycjonowania systemu ASG-EUPOS WSTĘP Od kilku lat na terenie Polski trwa rozbudowa państwowej naziemnej infrastruktury GNSS ASG- EUPOS (Aktywna Sieć Geodezyjna EUPOS). W ślad za tym trendem poszły również firmy komercyjne uruchamiając w ostatnich dwóch latach kilkadziesiąt nowych stacji referencyjnych GNSS. Taki kierunek rozwoju współczesnych narzędzi pomiarowych geodety został narzucony przez rynek komercyjny wymagający najlepszej jakości produktów w cenie pozwalającej na wdrożenie i zwiększenie efektywności produkcji. Pociąga to za sobą konieczność ciągłego kontrolowania wiarygodności serwisów dla utrzymania wysokiej dokładności pomiarów. W Centrum Geomatyki Stosowanej WAT od niemal dekady prowadzone są badania nad metodami przetwarzania i analizy danych GNSS [9,10]. W niniejszym artykule przedstawiono wycinek prac pomiarowych wykonanych w 2013 roku związanych z badaniem dokładności serwisów czasu rzeczywistego sieci ASG-EUPOS. 1. WIELOFUKCYJNY SYSTEM PRECYZYJNEGO POZYCJONOWANIA ASG-EUPOS System ASG-EUPOS (Aktywna Sieć Geodezyjna EUPOS) to naziemny system wspomagający (WAAS Wide Area Augmentation System) umożliwiający wyznaczenie pozycji z wysoką dokładnością (< 3cm) techniką GNSS (Globalny System Nawigacji Satelitarnej) [11]. Odbiornik GNSS bez takiego systemu wspomagającego jest w stanie wyznaczyć pozycję określonego punktu z dokładnością rzędu od kilku do kilkunastu metrów. Serwisy systemu ASG-EUPOS umożliwiają precyzyjne pozycjonowanie zarówno w czasie rzeczywistym jak również w tzw. postprocessingu. W skład serwisów czasu rzeczywistego wchodzą serwisy KODGIS, NAWGIS i NAWGEO. Natomiast w skład serwis postprocessingu tworzą serwisy POZGEO i POZGEO D. System jest ciągle modernizowany i dostosowuje się do rozwoju technologicznego. [7,9] 1.1. Segmenty systemu ASG-EUPOS System ASG-EUPOS składa się z segmentu odbiorczego, segmentu centrum zarządzającego oraz segmentu użytkowników. Zadaniem segmentu odbiorczego jest odbiór sygnałów emitowanych z satelitów systemu GNSS oraz przekazywanie ich do centrum zarządzającego w czasie rzeczywistym. W składzie segmentu odbiorczego znajdują się rozmieszczone na obszarze terytorium Polski i państw sąsiednich stacje referencyjne GNSS. Podczas budowy segmentu odbiorczego przyjęto założenia zgodnie ze standardem europejskiego systemu EUPOS (ang. European Position Determinantion System), które brzmią następująco: [7] średnia odległość pomiędzy stacjami wynosi około 70 km, do sieci stacji referencyjnych włączone zostały istniejące stacje EPN i IGS, współrzędne stacji wyznaczone zostały w europejskim systemie odniesienia ETRS89, na stacjach referencyjnych wykorzystano jedynie precyzyjne dwuczęstotliwościowe odbiorniki GNSS, lokalizację stacji referencyjnych wybrano tak, aby zapewnić jak najlepsze warunki obserwacyjne satelitów GNSS oraz długotrwałe funkcjonowanie stacji. Segment odbiorczy składa się z 122 stacji, które można podzielić na następujące grupy: 90 stacji wyposażonych w odbiornik GPS (na obszarze Polski znajduje się 80 stacji) 1 Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Wojskowa Akademia techniczna; mwrona@wat.edu.pl 6878

2 32 stacje wyposażone w moduł GPS/GLONASS (na obszarze Polski znajduje się 20 stacji) Ponadto 19 stacji referencyjnych sieci ASG-EUPOS jest równocześnie włączonych do sieci EPN (w tym 15 stacji na terenie Polski). Drugim segmentem systemu ASG-EUPOS jest centrum zarządzające. Znajduje się ono w Warszawie oraz w Katowicach. Głównym jego zadaniem jest obliczanie i udostępnianie danych korekcyjnych dla użytkowników poszczególnych serwisów systemu. Trzecim segmentem systemu ASG-EUPOS jest segment użytkowników. Ma on możliwość korzystania z różnego rodzaju serwisów dokładnościowych. Poszczególne serwisy mogą być wykorzystywane przez szerokie grono użytkowników. [7,9] 1.2. Nominalna dokładność serwisów czasu rzeczywistego ASG-EUPOS System ASG-EUPOS oferuje serwisy czasu rzeczywistego które są dopasowane pod względem dokładności wyznaczania pozycji do potrzeb użytkownika. Nominalne dokładności deklarowane przez system są podawane w oparciu o testy, które zostały przeprowadzone na punktach sieci POLREF. Uzyskane współrzędne za pomocą rożnych serwisów oraz różnego rodzaju odbiorników zostały porównane ze współrzędnymi punktów sieci POLREF. Na podstawie różnic zostały określone dokładności oferowane przez poszczególne serwisy systemu. Należy zauważyć, że punkty sieci POLREF są punktami zlokalizowanymi w miejscu dogodnym dla obserwacji GNSS, dlatego trzeba pamiętać, że dokładność określenia współrzędnych w miejscu o mniej dogodnych warunkach pomiarowych może być znacznie mniejsza niż zdeklarowana przez system. Serwis NAWGEO jest najdokładniejszym serwisem czasu rzeczywistego. Dostarcza on fazowe dane korekcyjne do pomiarów RTK (ang. Real Time Kinematic). Wykorzystywany jest przez odbiorniki dwuczęstotliwościowe, które precyzyjne wyznaczenie położenia opierają na pomiarach fazy fali nośnej. Aby uzyskać zadeklarowane przez system dokładności użytkownik musi spełnić szereg wymogów dotyczących warunków pomiarowych. Jednym z nich jest odbieranie danych korekcyjnych od stacji referencyjnej znajdującej się w odległości do 5 km od odbiornika. Rozwiązaniem tego problemu, który jest niewątpliwym ograniczeniem metody RTK, jest metoda NRTK (Network RTK). Metoda polega na wykorzystaniu danych z sieci (co najmniej trzech) stacji referencyjnych, wewnątrz której znajduje się mierzony punkt, z których interpolowane są informacje o warunkach propagacji sygnału GNSS na danym obszarze. Danymi z sieci stacji operuje centrum zarządzające, które w zależności od rodzaju wykorzystywanej poprawki powierzchniowej wysyła do odbiornika odpowiednie dane korekcyjne. Najpopularniejszą poprawką powierzchniową jest poprawka VRS, której szczegółowa koncepcja została opracowana przez firmę Trimble. Wykorzystując tą metodę odbiornik na początku wysyła za pomocą modułu GSM do centrum zarządzającego wiadomość w standardzie NMEA GGA zawierającą informacje o swoim przybliżonym położeniu. Informacja ta ma na celu określenie, z jakich stacji referencyjnych poprawka będzie generowana. W odpowiedzi od centrum zarządzającego otrzymujemy dane korekcyjne w formacie RTCM [8,9,10]. Na podstawie tych danych dokładność wyznaczenia pozycji zostaje zwiększona. Pozycja o zwiększonej dokładności zostaje ponownie wysłana do centrum zarządzającego, a ono przelicza i wysyła co sekundę aktualne dane korekcyjne, w formacie RTCM. Dane te są wysyłane tak jakby pochodziły z wirtualnej stacji referencyjnej znajdującej się w pobliżu odbiornika i są aktualne dla obszaru w promieniu 5 km od podanych współrzędnych przybliżonych. System ASG-EUPOS oferuje powierzchniowe dane korekcyjne na terenie całego kraju dla systemu GNSS. Użytkownik systemu ASG-EUPOS ma również do wyboru poprawkę powierzchniową MAC, która została opracowana przez firmę Leica Geosystems. Ogólna koncepcja tej poprawki zakłada sprowadzenie obserwacji ze stacji referencyjnych na wspólny poziom nieoznaczoności. Ponadto została zminimalizowana ilość przesyłanych danych poprzez wysyłanie do odbiornika pełnej informacji o współrzędnych i poprawkach tylko z obserwacji stacji głównej. Natomiast obserwacje ze stacji pomocniczych są wysyłane w formie różnic obserwacji stacji głównej i otaczających stacji referencyjnych. Proces przebiegu informacji w sieci można podzielić na trzy etapy. W pierwszym 6879

3 etapie wyznaczana jest nieoznaczoność na podstawie surowych obserwacji przesyłanych do centrum obliczeniowego w celu sprowadzenia obserwacji ze wszystkich stacji referencyjnych na wspólny poziom nieoznaczoności poprzez dodanie lub usunięcie całkowitej liczby cykli fazowych tak, aby po utworzeniu podwójnej różnicowej obserwacji wyeliminować całkowitą liczbę cykli. Podczas tego procesu ważne jest uwzględnienie modelu jonosfery, ponieważ ma on znaczący wpływ podczas wyznaczania nieoznaczoności. Drugi etap to modelowanie poprawek na podstawie dostępnych obserwacji. Model ten ma przede wszystkim uwzględniać błędy związane z opóźnieniem atmosferycznym. Problem w wyznaczeniu tego błędu rośnie wraz z odległością od stacji referencyjnej, dlatego model będzie głównie zależał od położenia odbiornika względem sieci stacji referencyjnych. Trzeci etap to transmisja danych. Koncepcja ta wymaga dwukierunkowej transmisji danych w formatach takich samych jak w przypadku poprawki powierzchniowej VRS, czyli NMEA GGA (wysyłając przez odbiornik informację o swoim przybliżonym położeniu) oraz RTCM (wysyłając przez centrum obliczeniowe dane służące do obliczenia danych korekcyjnych). Serwis KODGIS jest wykorzystywany przez odbiorniki jednoczęstotliwościowe kodowe. Umożliwia on poprawianie pomiarów różnicowych DGNSS poprzez odbieranie poprawki VRS dla obserwacji kodowych. Procedura pomiarowa jest podobna do procedury wykorzystania poprawki powierzchniowej VRS w serwisie NAWGEO. Serwis NAWGIS podobnie jak KODGIS jest wykorzystywany przez odbiorniki jednoczęstotliwościowe kodowe, które mogą pracować w trybie różnicowym DGNSS. Korzystając z tego serwisu odbiornik nie wysyła informacji w formacie NMEA GGA o swoim przybliżonym położeniu. [7,9] 2. POMIAR TESTOWY Celem testu było zbadanie dokładności wyników pomiarów uzyskanych w tym samym czasie z wykorzystaniem różnego typu serwisów czasu rzeczywistego ASG-EUPOS. Podstawowym założeniem było to, że wyniki z danej sesji pomiarowej będą porównywane pomiędzy każdym z odbiorników dla odpowiadających sobie mierzonych punktów w tym samym momencie czasu, aby każdy porównywany wynik był uzyskany na podstawie tych samych danych obserwacyjnych. Przy porównaniu serwisów wzięto również pod uwagę kwestię dostępności sygnału korekcyjnego. Test został wykonany za pomocą trzech odbiorników marki Leica Viva GS 15 (Leica 1, Leica 3, Leica 4) oraz jednego odbiornika marki Trimble SPS 881. Odbiorniki zostały zastabilizowane na platformie w precyzyjnie wywierconych otworach. Otwory zostały wywiercone tak, że zamontowane w nich odbiorniki znajdowały się w narożnikach kwadratu o długości boku równej 0,400 m, przekątnej równej 0,566 m. Miary te zostały pomierzone taśmą z błędem średnim pomiaru md=±0,001m. Podczas testu statycznego zostało wykonanych pięć sesji pomiarowych. Podczas czterech sesji każdy z odbiorników mierzył pozycję punktu w oparciu o te same dane korekcyjne. W pierwszej sesji były to dane korekcyjne typu VRS, w drugiej MAC, w trzeciej Pojedyncza stacja, w czwartej MAZ- VRS. Piąta sesja nosi nazwę MIX. W sesji tej każdy z odbiorników odbierał depesze korekcyjne innego typu. Odbiornik Leica 1 odbierał depesze korekcyjne typu MAC, odbiornik Leica 3 typu MAZ-VRS, odbiornik Leica 4 typu Pojedyncza stacja, odbiornik Trimble typu VRS. W przypadku każdej depeszy korekcyjnej dane korekcyjne otrzymano w formacie RTCM 3.1. We wszystkich sesjach pomiarowych odbiornik rejestrował nowe położenie punktu co 1 s przez okres jednej godziny. Miejsce pomiaru zostało zaplanowane tak, aby warunki pomiarowe były najbardziej korzystne. W pobliżu nie było żadnych przeszkód terenowych. Dodatkowo minimalny kąt widoczności satelity nad horyzontem został ustawiony na

4 3. ANALIZA WYNIKÓW Tabela 1 prezentuje odchylenia standardowe obliczone na podstawie cięgu obserwacji z wykorzystaniem różnych serwisów ASG-EUPOS. Kolejno podano odchyleia standardowe dla składowych: x, y, z, xy i xyz. VRS MAC Pojedyncza stacja VRS-MAZ MIX 0,008 0,007 0,018 0,011 0,021 0,011 0,006 0,017 0,012 0,021 0,010 0,004 0,017 0,010 0,020 0,003 0,004 0,007 0,005 0,009 0,003 0,003 0,006 0,004 0,007 0,004 0,004 0,008 0,005 0,010 m x Trimble m y Trimble m h Trimble m xy Trimble m xyh Trimble 0,004 0,003 0,006 0,004 0,008 0,004 0,004 0,004 0,005 0,006 0,005 0,005 0,005 0,007 0,009 0,005 0,004 0,007 0,007 0,010 m x Trimble m y Trimble m h Trimble m xy Trimble m xyh Trimble 0,004 0,004 0,003 0,006 0,006 0,007 0,005 0,023 0,008 0,024 0,007 0,004 0,012 0,009 0,015 0,010 0,004 0,018 0,011 0,021 0,009 0,002 0,007 0,010 0,012 0,006 0,004 0,011 0,007 0,013 0,04 0,002 0,005 0,004 0,004 m x Trimble m y Trimble m h Trimble m xy Trimble m xyh Trimble 0,004 0,002 0,005 0,004 0,007 Analizując wyniki można stwierdzić, że błąd średni położenia punktu dla każdej sesji pomiarowej jest zdecydowanie mniejszy od deklarowanego przez system. Ponadto należy zauważyć, że błąd średni położenia punktu w pierwszej sesji pomiarowej, w której odbiorniki odbierały dane korekcyjne typu MAC (Rys. 1) był dwukrotnie mniejszy niż w sesji ostatniej, w której tylko odbiornik Leica 1 odbierał tego typu poprawki. Dodatkowo można stwierdzić, że wyniki pomiarów, w których odbiorniki odbierały depesze typu VRS są najmniej dokładne. Wyniki dla depeszy VRS w sesji 6881

5 pomiarowej, w której poprawki te odbierały odbiorniki marki Leica charakteryzują się niższą precyzją niż wyniki z sesji, w której poprawki tego typu odbierał odbiornik marki Trimble. Rys.1 Przebieg składowej X cztereh odbiorników odbierających depesze korekcyjne typu MAC. (Dla potrzeb prezentacji dane poddane operacji usuwania trendu). Rys.2 Przebieg składowej X czterech odbiorników pracująych na depeszach korekcyjnych różnego typu. (Dla potrzeb prezentacji dane poddane operacji usuwania trendu). Na rysunku 2 widoczne są błędy grube spowodowane prawdopodobnie utratą znajomości cykli fazowych lub innymi czynnikami niezależącymi od osoby wykonującej pomiar. Pomimo wysokiej precyzji określenia pozycji odbiornika przez zdecydowaną większość sesji pomiarowej zdarzają się momenty, w których zdeklarowana przez system precyzja pomiaru nie jest osiągnięta. Najwyższa dokładność podczas całej sesji pomiarowej została utrzymana przez odbiornik korzystający z poprawki z pojedynczej stacji. Stają tą była stacja WAT1, która znajduje się w odległości około 1,5 km od wykonywanego pomiaru. Niewątpliwie jest to główny czynnik wpływający na uzyskaną wysoką dokładność. 6882

6 4. ANALIZA DOKŁADNOŚCI POMIARU ODLEGŁOŚCI POMIĘDZY ODBIORNIKAMI. W kolejnym etapie analizy obliczono błędy prawdziwe obliczonych odległości na podstawie mierzonych pozycji odbiorników. Błędy zostały policzone w oparciu o umownie prawdziwe wartości odległości pomiędzy odbiornikami. Nazwa odbiorników Nazwa serii pomiarowej Leica 1, Leica 3 Leica 1, Leica 4 Leica 1, Trimble Leica 3, Leica 4 Leica 3, Trimble Leica 4, Trimble VRS 0,006 0,007 0,008 0,011 0,007 0,006 MAC 0,002 0,003 0,004 0,003 0,005 0,005 Pojedyncza stacja 0,003 0,004 0,006 0,002 0,007 0,008 MAZ 0,005 0,006 0,008 0,010 0,011 0,014 MIX 0,011 0,006 0,010 0,006 0,004 0,005 Analizując powyższą tabelę zauważam, że uzyskane dokładności potwierdzają wcześniej wyciągnięte wnioski. Najwyższe dokładności zostały również osiągnięte dla sesji pomiarowej, w której wykorzystywane były dane korekcyjne typu MAC. Natomiast najniższe dokładności zostały uzyskane dla sesji pomiarowej, w której wykorzystywane były poprawki typu VRS oraz MAZ-VRS. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzony eksperyment pozwala stwierdzić iż: Dane korekcyjne typu MAC oraz Pojedyncza stacja (dla odległości od stacji mniejszej niż 1,5 km) umożliwiają wykrycie przemieszczeń powyżej 2 cm, zgodnie z wymaganą dokładnością określoną we wzorze (1.2). Każdy typ danych korekcyjnych umożliwia wykrycie przemieszczeń o wartości co najmniej 0,5 cm, z bliżej nieokreśloną dokładnością. Dane korekcyjne typu MAC oraz Pojedyncza stacja umożliwiają pomiar przemieszczeń poziomych z najwyższą dokładnością oraz precyzją. Dane korekcyjne typu VRS oraz MAZ-VRS umożliwiają pomiar przemieszczeń poziomych z gorszą precyzją oraz nieco gorszą dokładnością niż dane korekcyjne typu MAC oraz Pojedyncza stacja. Od 2013 roku serwisy systemu poddawane są sukcesywnej modernizacji. Centrum Geomatyki Stosowanej WAT prowadzi badania rozwiązaniami WAAS w Polsce co pozwoli na ponowne przebadanie jakości nowych serwisów ASG-EUPOS opartych na danych korekcyjnych GNSS. Streszczenie Niniejszy artykuł opisuje wyniki doświadczenia zmierzającego do oceny precyzji i dokładności działania serwisów czasu rzeczywistego sieci stacji permanentnych GNSS ASG-EPUOS. Przedstawiono tu problematykę pozycjonowania z wykorzystaniem serwisów precyzyjnego pozycjonowania w oparciu o metodę RTK (Real Time Kinematic) i NRTK (Network RTK). Słowa kluczowe: GPS, GNSS, RTK, NRTK 6883

7 ASG-EUPOS network real time services accuracy investigation Abstract This article describes the result of an experiment for accuracy testing of real time services of GNSS reference stations ASG-EUPOS. Precise positioning using RTK (Real Time Kinematic) and NRTK ( Network RTK) method is described according to test results. Keywords: GPS, GNSS, RTK, NRTK BIBLIOGRAFIA 1. Diggelen F, GPS and GPS+GLONASS RTK, ION, Kansas, ,pp Diggelen F., A-GPS: Assisted GPS,GNSS and SBAS, Norwood, MA: Artech House, Figurski M.; M. Gałuszkiewicz; M. Wrona; Artificial Satellites-Journal of Planetary Geodesy; A bridge deflection monitoring with GPS; Vol. 42 No ; pp 4 pkt, /3 4. Grejner-Brzezińska D.A, Kashani I., Wielgosz P., On accuracy and raliability on instantenous Network RTK as a function of network geometry, station preparation and data processing strategy, GPSSolutions, vol.9, No. 3,205, pp Klobuchar, J.A., Ionospheric effects on GPS, Global Positioning System: Theory and Applications, Volume I, Chapter 12, pp , Waschington (D.C.): AiAA, Landau H., Vollath U., Chen X., Virtual reference Stations versus broadcast Solutions in Network RTK Advantages and Limitations, Lu, G; Quality control for Differential Kinematic Possitioning. M.Sc. thesis, University of Calgary, Canada, PN-ISO Optics and optical instruments -- Field procedures for testing geodetic and surveying instruments -- Part 8: GNSS field measurement systems in real-time kinematic (RTK) 9. RTCM Papers, The Radio technical commision for marine services (RTCM) publishes revised standard for differentia global navigation satellite systems, RTCM Papers cs-104-PR 10. RTCM papers, RTCM recommended standards for differential GNSS service, RTCM SC-1004, RTCA Papers, Minimum operational performance standards for GPS local area augmentation system, RTCA, Waszyngton, SC-159, 26 kwietnia 2007 PODZIĘKOWANIA Niniejsza publikacja powstała w oparciu o środki z projektu PBS/854/2013 Pozyskiwanie i przetwarzanie geodanych dla potrzeb bezpieczeństwa i obronności kraju. 6884