Wykorzystanie satelitarnego systemu Galileo oraz innych systemów nawigacyjnych w badaniach geodezyjnych i geofizycznych

Transkrypt

1 Wykorzystanie satelitarnego systemu Galileo oraz innych systemów nawigacyjnych w badaniach geodezyjnych i geofizycznych Krzysztof Sośnica, Grzegorz Bury, Radosław Zajdel, Tomasz Hadaś, Kamil Kaźmierski, Mateusz Drożdżewski oraz GNSS&Meteo Working Group POLSKIE TOWARZYSTWO GEOFIZYCZNE ODDZIAŁ WE WROCŁAWIU 26 MAJA 2017 R., WROCŁAW

2 ourtesy of ESA Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS)

3 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) Systemy GNSS są to nawigacyjne satelitarne systemy wojskowe (z wyjątkiem Galileo, który jest jedynym systemem cywilnym). Pierwotnie były wykorzystywane do precyzyjnego pozycjonowania i nawigacji w wojsku. Na początku lat 80, niedługo po tym, kiedy pierwsze satelity GPS znalazły się na orbicie, okazało się, że system może zostać wykorzystany także w geodezji.

4 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) Satelity GNSS nadają sygnały kodowe na różnych częstotliwościach. Nośnikiem kodu jest fala elektromagnetyczna (tzw. fala nośna). W nawigacji używa się sygnałów kodowych i na ich podstawie określa się pseudo-odległość pomiędzy odbiornikiem i satelitami. Sygnał kodowy pozwala na wyznaczenie pozycji z dokładnością metrową. W geodezji bardzo często ignoruje się sygnał kodowy i analizuje się samą falę nośną, z tego względu, że różnicę faz pomiędzy odbiornikiem a satelitą można odtworzyć z dokładnością 1-2 mm.

5 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) Obserwacje satelitów GNSS mogą być prowadzone w 2 trybach: Tryb kinematyczny: wymaga jednoczesnej widoczności co najmniej 4 satelitów, aby wyznaczyć 4 parametry: pozycję odbiornika (X,Y,Z) oraz poprawkę zegara odbiornika (dt) na pewną epokę t0. Tryb kinematyczny wykorzystywany jest w nawigacji oraz kinematycznych pomiarach GNSS. Tryb dynamiczny: satelity są śledzone przez długi czas (wiele epok). W trybie dynamicznym obserwacje gromadzone są przez wiele epok, dzięki czemu wystarczą obserwacje nawet jednego satelity. Zwiększenie liczby satelitów znacznie polepsza rozwiązanie ze względu na redukcję korelacji pomiędzy parametrami. Stacje permanentne GNSS łączą zalety pozycjonowania kinematycznego i dynamicznego. Pozycjonowanie kinematyczne Pozycjonowanie dynamiczne

6 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) Systemy autonomiczne globalne GPS (USA), a właściwie NAVSTAR-GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) - w pełni operacyjny! GLONASS (ZSRR/Rosja) ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) - w pełni operacyjny! Galileo (Unia Europejska+ESA): na dzień dzisiejszy 18 satelitów BeiDou (Chiny) poprzednia nazwa - COMPASS Systemy regionalne QZSS (Japonia) Quasi-Zenith Satellite System NavIC/IRNSS (Indie) Indian Regional Navigation Satellite System Systemy wspomagające Wide Area Augmentation System (WAAS, USA) European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS, EU) inne

7 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) Segment kosmiczny 30 satelitów (pierwotnie system zakładał 24) umieszczonych na orbitach kołowych o nachyleniu 55 (Block IIA, IIR, IIR M) lub 63 (Block I aktywny do 1994) względem płaszczyzny równika na wysokości km. Obieg Ziemi przez satelitę trwa 11 h 58 min (pół doby gwiazdowej). Segment naziemny (kontrolny) 12 stacji nadzoru rozmieszczonych możliwie blisko i równomiernie na równiku celem ciągłej obserwacji każdego satelity przez co najmniej dwie stacje przez całą dobę. Odpowiada on za utrzymanie sprawności technicznej systemu wyrażającej się niezawodnością i dokładnością odbieranego przez użytkowników sygnału satelitarnego. Segment użytkownika Użytkownicy wojskowi Użytkownicy precyzyjni (geodeci) Użytkownicy cywilni (nawigacja)

8 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) System GPS Ślady satelitów zrzutowane na powierzchnię Ziemi. Rozmieszczenie satelitów na 6 płaszczyznach orbit.

9 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) System GLONASS Ślady satelitów zrzutowane na powierzchnię Ziemi. Rozmieszczenie satelitów na 3 płaszczyznach orbit.

10 Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) System Galileo (w budowie) Ślady satelitów zrzutowane na powierzchnię Ziemi. Rozmieszczenie satelitów na 3 płaszczyznach orbit.

11 Satelity Galileo na nieprawidłowych orbitach Nominalna orbita (E30) Interwał: 15 min. Długość danych: 26h Epoka początkowa: Nieprawidłowa orbita (E14) Perygeum Wysokość nad Ziemią [km] Apogeum Zmienna prędkość: od 1.9 km/s w apogeum do 3.4 km/s w perygeum (względem obserwatora na Ziemi)

12 Konstelacje satelitów GNSS km Różne charakterystyki konstelacji satelitów GNSS i RNSS wysokość orbity/okres orbitalny, ekscentryczność, kąt inklinacji, budowa (stosunek masy do rozmiaru) QZSS BeiDou IGSO/GEO Galileo nieprawidłowe Galileo BeiDou MEO GPS GLONASS Ziemia GRACE

13 Nowe systemy GNSS Orbita nominalna(e30) Orbita rozszerzona (E14) System GLONASS Galileo BeiDou QZSS Typ GLONASS-M GLONASS-K IOV FOC (rozszerzona) FOC MEO IGSO GEO QZS-1 PRN R01-R08 R10-R19 R21-R25 R09, R20 E11, E12, E19, E20 E18, E14 E26, E22, E24, E30, E08, E09, E01, E02, E07, E03, E04, E05 C11, C12, C13 (nieaktywny), C14, C33, C34, C35 C06, C07, C08, C09, C10, C31, C32, C13 C01, C03, C04, C05, C02, C17 Retroreflektory Masa [kg] / Dłuższa półoś [km] Wysokość [km] Typ orbity MEO MEO MEO MEO MEO MEO Geosynchronous Geostationary Geosynchronous Mimośród / < Inklinacja [deg] / ~ J01

14 Satelity Galileo na nieprawidłowych orbitach Sośnica et al., (2017) Validation of Galileo orbits using SLR with a focus on satellites launched into incorrect orbital planes. Journal of Geodesy. Jakość orbity wyznaczona na podstawie obserwacji laserowych. Eksperyment GREAT (Galileo gravitational Redshift Experiment with eccentric satellites): wykorzystanie atomowych zegarów na satelitach Galileo-E18 i E14 w celu sprawdzenia grawitacyjnego przesunięcia. Ich niezamierzone orbity eliptyczne indukują okresową modulację grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, a ich bardzo dobra stabilność zegarów pozwala nam bardzo dokładnie zmierzyć tę okresową modulację. Delva, P., A. Hees, S. Bertone, E. Richard, and P. Wolf. 'Test of the Gravitational Redshift with Stable Clocks in Eccentric Orbits: Application to Galileo Satellites 5 and 6'. Classical and Quantum Gravity 32, no. 23 (2015): doi: / /32/23/

15 Analiza MDEV stabilności zegarów produkty real-time Stabilność zegarów poszczególnych systemów dla czasów integracji s (DoY 120, 2016) Kaźmierski K., Sośnica K, Hadaś T. (2017) Quality assessment of multi-gnss orbits and clocks for real-time Precise Point Positioning. GPS Solutions (w recenzji) Początkowa stabilność zegarów poszczególnych systemów dla czasu integracji 30s (DoY 120, 2016)

16 Ocena jakości orbit multi-gnss z wykorzystaniem obserwacji SLR GLONASS Galileo BeiDou Porównanie orbit czasu rzeczywistego CNES z orbitami final (na górze) oraz z obserwacjami SLR (po prawej). Kaźmierski K., Sośnica K, Hadaś T. (2017) Quality assessment of multi- GNSS orbits and clocks for real-time Precise Point Positioning. GPS Solutions (w recenzji)

17 ourtesy of NASA Pomiary laserowe do Galileo

18 Retroreflektory laserowe na satelitach Galileo Galileo (84 CCRs) Liczba obserwacji SLR (dzienna) Galileo 201-2?? (60 CCRs)

19 troposfera jonosfera Walidacja Walidacja czyli ocena jakości orbit mikrofalowych w oparciu o obserwacje pochodzące z niezależnych pomiarów SLR Możliwa dzięki zamontowaniu retroreflektorów zwrotnych (LRA) na satelitach nawigacyjnych nowych generacji Sama walidacja to proces porównywania odległości od stacji do satelity: 1. Pomiary laserowe 2. Obliczone na podstawie łuku orbity mikrofalowej Rezultatem są tzw. rezydua Dyskretne pozycje satelitów Galileo GPS GLONASS SLR2GNSS Odległości z: 3-dniowy łuk BeiDou Pomiary laserowe obliczenia na podstawie orbit mikrofalowych QZSS rezyduum Isotą walidacji SLR jest niezależność obserwacji laserowych od wpływu czynników zaburzających obserwacje mikrofalowe

20 Jakość orbit Galileo na podstawie obserwacji SLR Rok 2012: Satelity GIOVE-A/B + stary model ECOM: Dokładność orbit: ~70 mm Połowa roku 2017: nowe satelity + nowy model ECOM + albedo: Dokładność orbit: ~14 mm

21 Walidacja orbit Galileo SLR residuals to all Galileo s/c Klasyczny empiryczny model wpływu ciśnienia słonecznego działającego na satelity GNSS: D = D 0 Y = Y 0 X = X 0 + X C cos u + X S sin u gdzie u jest argumentem szerokości satelity. Rozszerzony model zawiera: D = D 0 + D C2 cos 2Δu + D S2 sin 2Δu +D C4 cos 4Δu + D S4 sin 4Δu Y = Y 0 X = X 0 + X C cos Δu + X S sin Δu gdzie Δu jest argumentem satelity względem pozycji Słońca.

22 Wyznaczanie orbit multi-gnss z wykorzystaniem wyłącznie obserwacji SLR Zależność dokładności wyznaczenia orbity od ilości obserwacji i ilości śledzących stacji SLR dla łuków 3- dniowych.różnica pomiędzy orbitą mikrofalową a z SLR dla 60 obserwacji wynosi 2.9, 8.8, 16.7 cm odpowiednio dla składowej radialnej, stycznej i normalnej w przypadku GLONASS-R07.

23 Nowy interaktywny serwis internetowy do analiz danych Zajdel R, Sośnica K, Bury G (2017) GOVUS. DOI: /RG

24 Zatwierdzenie serwisu przez NASA/ILRS nowe Centrum Analiz ILRS

25 Serwis internetowy GOVUS Walidacji podlegały 5-systemowe (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS) rozwiązania CODE tworzone w ramach inicjatywy MGEX Walidacje przeprowadzono dla danych laserowych aktualnych i archiwalnych od roku 2014 Dzienne orbity CODE udostępniane są jako rezultat postprocessingu w nieregularnych interwałach czasu ok. 10 dni Do przeprowadzenia walidacji potrzebne są: (1) obserwacje SLR (punkty normalne), (2) orbity, (3) modele i parametry

26 Infrastruktura GNSS

27 Pozycjonowanie w czasie rzeczywistym GNSS-WARP: GPS+Galileo Liczba widocznych satelitów: GPS (G) i Galileo (E) Dilution of Precision(DOP) Błąd wyznaczenia pozycji Różnica względem współrzędnych referencyjnych Opóźnienie troposferyczne w zenicie Zegar odbiornika

28 Stacja WROC Stacja multi-gnss WROC

29 Satelity widoczne nad Wrocławiem BeiDou GEO BeiDou Geosynchroniczne Nachylone

30 Satelity widoczne nad Wrocławiem BeiDou Geostacjonarne QZSS bardzo nisko nad horyzontem Galileo E20 tylko 1 częstotliwość Max.34 satelity multi-gnss śledzone jednocześnie przez stację WROC

31 Stacje śledzące satelity GNSS w rozwiązaniach CODE Galileo BeiDou QZSS WROC WROC WROC Stacja WROC pierwszą na świecie stacją MGEX śledzącą drugiego satelitę QZSS

32 ITRF Id. DOMES # SOLN Tech Site Name Long. Lat LROC 10023M001 1 GPS La Rochelle AJAC 10077M005 1 GPS Ajaccio BUDP 10101M003 1 GPS Copenhaguen S003 1 VLBI Ny-Alesund S002 1 VLBI Onsala MAR M002 1 GPS Martsbo KIR M001 1 GPS Kiruna VIS M001 1 GPS Visby VIL M001 1 GPS Vilhelmina METS 10503S011 1 GPS Metsahovi VAAS 10511M001 1 GPS Vaasa S002 1 SLR Graz SOFI 11101M002 2 GPS Sofia PENC 11206M006 1 GPS Penc WROC 12217M001 2 GPS Wroclaw UZHL 12301M001 1 GPS Uzhgorod RIGA 12302M002 1 GPS Riga MDVO 12309M002 3 GPS Mendeleevo IRKT 12313M001 1 GPS Irkoutsk TASH 12327M001 2 GPS Tashkent KIUB 12334S006 1 DORIS Kitab POLV 12336M001 1 GPS Poltava S001 1 VLBI Svetloe YAKT 12353M002 2 GPS Yakutsk Stacja WROC jako jedyna stacja GNSS w Polsce została wykorzystana do wyznaczenia parametrów transformacji pomiędzy układami odniesienia: ITRF2008 i ITRF2014

33 EPOS- SYSTEM OBSERWACJI PŁYTY EUROPEJSKIEJ POIR A0003/16 Priorytet IV: ZWIĘKSZENIE POTENCJAŁU NAUKOWO-BADAWCZEGO Działanie 4.2: ROZWÓJ NOWOCZESNEJ INFRASTRUKTURY BADAWCZEJ SEKTORA NAUKI Okres realizacji: Wartość projektu: ,87 PLN Dofinansowanie ze środków EFRR: ,47 PLN Beneficjent: Konsorcjanci: PROJEKT EPOS - SYSTEM OBSERWACJI PŁYTY EUROPEJSKIEJ JEST WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO

34 Infrastruktura EPOS-PL Radiometry Zewnętrzny wzorzec częstotliwości Sejsmometry Odbiorniki Multi-GNSS Grawimetr pływowy InSAR Niwelacja precyzyjna

35 Institute of Geodesy and Geoinformatics Tekst tekst tekst GPS+GLONASS+??? GPS+GLONASS+??? GPS+GLONASS+ Galileo+BeiDou GPS+GLONASS+??? GPS (COSMIC-1 i inne) GPS+GLONASS+Galileo? (COSMIC-2) GPS+GLONASS+ Galileo+BeiDou+QZSS

36 Dziękuję za uwagę Krzysztof Sośnica Instytut Geodezji i Geoinformatyki