Ultra szybkie pozycjonowanie GNSS z zastosowaniem systemów GPS, GALILEO, EGNOS i WAAS

Transkrypt

1 Ultra szybkie pozycjonowanie GNSS z zastosowaniem systemów GPS, GALILEO, EGNOS i WAAS Jacek Paziewski Paweł Wielgosz Katarzyna Stępniak Katedra Astronomii i Geodynamiki Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie Satelitarne metody pozycjonowania we współczesnej geodezji i nawigacji 2 4 czerwca 211 Wrocław

2 Wprowadzenie W pracy zaprezentowano wyniki badań nad precyzyjnym wyznaczania pozycji na podstawie opracowania obserwacji z krótkich sesji obserwacyjnych, jak również z obserwacji z pojedynczej epoki obserwacyjnej. Przeanalizowano wpływ włączenia obserwacji kodowych i fazowych z satelitów GALILEO oraz SBAS (EGNOS i WAAS) na dokładność, szybkość i wiarygodność wyznaczenia pozycji DGPS oraz precyzyjnej względnej. Jako materiał obserwacyjny do testów i badań posłużyły obserwacje GPS+GALILEO zebrane w oparciu o sygnały z symulatora SPIRENT podczas stażu naukowego (J. Paziewski, K. Stępniak) w Europejskiej Agencji Kosmicznej ESTEC/ESA. Przedstawiono również wyniki dotyczące badań nad włączeniem obserwacji kodowych i fazowych z satelitów systemów SBAS (EGNOS i WAAS) do pozycjonowania absolutnego oraz względnego. Do obliczeń wykorzystano autorskie oprogramowanie GNSS Instantaneous Positioning - GINPOS.

3 Pozycjonowanie GPS + GALILEO pełna konstelacja Obserwacje GPS+GALILEO pozyskano z symulatora SPIRENT będącego na wyposażeniu ESTEC/ESA. Symulacje przeprowadzono dla wybranych stacji sieci ASG-EUPOS - KUTN i KONI oraz stacji wyznaczanej (rovera) RR1. Długość sesji obserwacyjnej 8 h z dnia 2 września 21 Do rejestracji obserwacji wykorzystano odbiorniki Septentrio AsteRx2 oraz TUR-RX Analizie poddano rezultaty precyzyjnego pozycjonowania względnego na podwójnych różnicach obserwacji fazowych oraz pozycjonowania DGPS Wykorzystany symulator GNSS Spirent

4 Pozycjonowanie GPS + GALILEO pełna konstelacja Opracowano obserwacje fazowe i kodowe na częstotliwości L1 i L5 (GPS) oraz E1 i E5a (GALILEO). Metoda rozwiązania nieoznaczoności: LAMBDA z walidacją W-test Eliminacja wpływu refrakcji jonosferycznej: estymacja podwójnie zróżnicowanego opóźnienia jonosferycznego Eliminacja wpływu refrakcji troposferycznej: model troposfery UNB3m Model wyrównania: sekwencyjne wyrównanie metodą najmniejszych kwadratów z warunkami nakładanymi na parametry Parametry w wyrównaniu: współrzędne stacji, nieoznaczoności obserwacji fazowych, opóźnienie troposferyczne, opóźnienie jonosferyczne Symulator GNSS Spirent w Payload System Laboratory ESTEC/ESA

5 Pozycjonowanie GPS + GALILEO pełna konstelacja Przeanalizowano następujące scenariusze opracowania obserwacji statycznych dla sesji 5 minutowych oraz jedno-epokowych dla pojedynczego wektora: 1) opracowanie wszystkich obserwowanych satelitów GPS z obcięciem horyzontu 1 stopni: a) bez obserwacji GALILEO b) razem z obserwacjami GALILEO 2) opracowanie wszystkich obserwowanych satelitów GPS z obcięciem horyzontu 3 stopni: a) bez obserwacji GALILEO b) razem z obserwacjami GALILEO Obliczenia przeprowadzono dla stacji wyznaczanej RR1 oraz stacji referencyjnych KONI oraz KUTN. Utworzono dwa wektory KUTN-RR1 o długości ok. 6 km oraz KONI-RR1 o długości 25 km.

6 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+GALILEO sesja 5 minut, obserwacje powyżej 1, wektor KUTN-RR1 6 km GPS dn =.49 m de =-.33 m STD N =.138 m STD E =.119 m GPS+GALILEO dn =-.2 m de =-.5 m STD N =.3 m STD E =.1 m ARSR = 87.3 % l.p 2D<.5 cm= 73.2% ARSR = 1 % l.p 2D<.5 cm= 98.6 % dh =-.51 m STD H =.134 m dh =.1 m STD H =.28 m

7 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+GALILEO sesja 5 minut, obserwacje powyżej 3, wektor KUTN-RR1 6 km GPS dn =-.3 m de =-. m STD N =.5 m STD E =.6 m GPS+GALILEO dn =-.1 m de =-.1 m STD N =.3 m STD E =.3 m ARSR = 38.6% l.p 2D<.5 cm= 44.3% ARSR = 1% l.p 2D<.5 cm= 1% dh =-.11 m STD H =.4 m dh =.3 m STD H =.11 m

8 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+GALILEO sesja 1 epoka, obserwacje powyżej 1, wektor KONI-RR1 25 km GPS dn =-.9 m de =.5 m STD N =.8 m STD E =.5 m GPS+GALILEO dn =-.9 m de =.7 m STD N =.5 m STD E =.5 m ARSR = 93.1 % l.p 2D<.5 cm= 91.7 % ARSR = 1 % l.p 2D<.5 cm= 1 % dh =.5 m STD H =.14 m dh =.5 m STD H =.7 m

9 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+GALILEO sesja 1 epoka, obserwacje powyżej 1, wektor KUTN-RR1 6 km GPS dn =-.224 m de =.174 m STD N =.776 m STD E =.815 m GPS+GALILEO dn =.41 m de =.16 m STD N =.316 m STD E =.144 m ARSR = 63.9 % l.p 2D<.5 cm= 23.6% ARSR = 9.3 % l.p 2D<.5 cm= 58.3% dh =.31 m STD H = m dh =-.5 m STD H =.221 m

10 Pozycjonowanie GPS + WAAS/EGNOS Do opracowania wykorzystano obserwacje ze stacji UNBT oraz UNBD (Kanada). Długość wektora pomiędzy stacjami: 19 m Do opracowania wykorzystano obserwacje kodowe i fazowe na częstotliwości L1 do satelitów GPS oraz trzech satelitów SBAS (PRN 12 EGNOS i 135, 138 WAAS) Utworzono ponad 12 sesji obserwacyjnych o długości 5 minut z interwałem 3 s.

11 Pozycjonowanie GPS + WAAS/EGNOS Problemy przy opracowaniu obserwacji GPS+SBAS: Zróżnicowane dokładności obserwacji kodowych dla różnych satelitów tego samego systemu oraz pomiędzy systemami Niższa dokładność transmitowanych efemeryd oraz poprawek zegarów satelitów Trudniejsza eliminacja efektu wielotorowości (multipath) sygnału ze względu na niezmienność położenia satelitów na orbicie (niewielki ruch). Wielkość efektu wielotorowości może być stała przez wiele godzin. Fragment pliku nawigacyjnego dla satelitów geostacjonarnych SBAS: EGNOS WAAS WAAS 1 m 4 96 m 2 m Accuracy code (URA, [m])

12 Clock correction [1-6 s] Clock correction [1-6 s] Clock correction [1-6 s] Poprawki zegarów satelitów SBAS (EGNOS / WAAS) 2 x 1-6 SBAS clocks corrections PRN EGNOS Epochs 2 x 1-6 SBAS clocks corrections PRN WAAS Epochs 2 x 1-6 SBAS clocks corrections PRN WAAS Epochs

13 Pozycjonowanie GPS + WAAS/EGNOS Przeanalizowano i porównano następujące scenariusze opracowania obserwacji statycznych z wykorzystaniem sygnałów SBAS: 1) opracowanie wszystkich obserwowanych satelitów GPS a) bez obserwacji SBAS b) razem z obserwacjami SBAS 2) opracowanie sygnałów z 5 wybranych satelitów GPS a) bez obserwacji SBAS b) razem z obserwacjami SBAS 3) opracowanie sygnałów z 4 wybranych satelitów GPS a) bez obserwacji SBAS b) razem z obserwacjami SBAS

14 Pozycjonowanie GPS + WAAS/EGNOS Przykład poprawek V przy wyrównaniu obserwacji GPS+EGNOS+WAAS w pozycjonowaniu absolutnym: GPS + 12 EGNOS GPS + 135, 138 WAAS GPS WAAS GPS PRN V [m] PRN V [m] PRN V [m] PRN V [m] mo = VTPV = mo = 5.5 VTPV = mo =.74 VTPV =2.19 mo =.62 VTPV =1.14

15 dh [m] dh [m] Pozycjonowanie DGPS GPS+WAAS wszystkie obserwowane satelity GPS PRN WAAS GPS GPS+WAAS 138 dn =.31 m de =.14 m STD N =.294 m STD E =.185 m dn =.163 m de =.22 m STD N =.286 m STD E =.27 m dh =-.3 m STD H =.499 m dh =.38 m STD H =.516 m

16 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+WAAS wszystkie obserwowane satelity GPS PRN WAAS, wektor 19 m GPS GPS+WAAS 138 dn =-. m de =. m STD N =.2 m STD E =.1 m dn =-. m de =-. m STD N =.2 m STD E =.1 m ARSR = 1% l.p 2D<.5 cm=1% ARSR = 1% l.p 2D<.5 cm=1 % dh =-. m STD H =.4 m dh =-.1 m STD H =.4 m

17 dh [m] dh [m] Pozycjonowanie DGPS GPS+WAAS 5 satelitów GPS PRN WAAS GPS GPS+WAAS 138 dn =-.179 m de =-.38 m STD N = m STD E = m dn =.19 m de =.571 m STD N = m STD E = 1.8 m dh =-1.71 m STD H = m -6-8 dh =.398 m STD H = m

18 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+WAAS 5 satelitów GPS PRN WAAS GPS GPS+WAAS 138 dn =-. m de =. m STD N =.16 m STD E =.13 m dn =-.2 m de =-.9 m STD N =.17 m STD E =.21 m ARSR = 63.3 % l.p 2D<.5 cm= 83.3% ARSR = 65. % l.p 2D<.5 cm= 79.2 % dh =.2 m STD H =.23 m dh =-.16 m STD H =.3 m

19 dh [m] dh [m] Pozycjonowanie DGPS obserwacje GPS+WAAS 4 satelity GPS+ 138 PRN WAAS GPS GPS+WAAS 138 dn =9.651 m de = m STD N = m STD E = m dn =-.663 m de =.664 m STD N = 5.93 m STD E = m /-2m -1 +/-2m m m /-2m /-2m dh =9.671 m STD H = m -3-4 dh =1.938 m STD H = m

20 dh [m] dh [m] Precyzyjne pozycjonowanie względne GPS+WAAS 4 satelitów GPS PRN WAAS GPS GPS+WAAS 138 dn =4.995 m de =9.11 m STD N = m STD E = m dn =-.1 m de =-.2 m STD N =.57 m STD E =.86 m ARSR = 12.5 % l.p 2D<.5 cm= 25.8 % ARSR = 29.2 % l.p 2D<.5 cm= 4.8 % dh = m STD H = m dh =-.21 m STD H =.157 m

21 Podsumowanie W precyzyjnym pozycjonowaniu z krótkich sesji obserwacyjnych jak również z pojedynczej epoki włączenie obserwacji z satelitów GALILEO znacznie zwiększyło ilość rozwiązanych sesji. Włączenie obserwacji z satelitów WAAS w przypadku dużej widoczności satelitów GPS nie wpływa zauważalnie na poprawę rozwiązań wyznaczenia pozycji zarówno w pozycjonowaniu DGPS jak i precyzyjnym, względnym. W przypadku niewielkiej ilości obserwowanych satelitów GPS, włączenie obserwacji WAAS polepszyło dokładność rozwiązania DGPS oraz zwiększyło liczbę poprawnie rozwiązanych nieoznaczoności w precyzyjnym pozycjonowaniu względnym. Na obecnym etapie bardzo trudne jest wykorzystanie obserwacji z satelitów EGNOS (L1 faza i kod) w pozycjonowaniu ze względu na min. duże błędy orbit i zegarów satelitów.

22 Podsumowanie Plany na przyszłość: Badania nad opracowaniem rzeczywistych obserwacji z satelitów GALILEO Kontynuacja badań nad wykorzystaniem obserwacji z satelitów geostacjonarnych w precyzyjnym pozycjonowaniu Badania nad dokładnością poprawek transmitowanych przez system EGNOS Podziękowania dla: - Jarona Samsona z European Space Research and Technology Centre - European Space Centre (ESTEC/ESA) Noordwijk za zaproszenie i możliwość skorzystania z symulatora GNSS oraz - Richarda Langley a z University of New Brunswick Kanada za udostępnienie danych z obserwacjami z satelitów WAAS.