SATELITARNE TECHNIKI POMIAROWE WYKŁAD 12 1
Redukcje obserwacji GPS i zaawansowane pakiety programów redukcyjnych Etapy procesu redukcji obserwacji GPS Procesy obliczeniowe prowadzące od zbiorów obserwacji odbiornikami GPS, uzupełnionych zbiorami obserwacji meteorologicznych i zbiorami danych geodezyjnych, do wyników - współrzędnych w pewnym, żądanym układzie geodezyjnym, nazywa się redukcją obserwacji GPS. Proces redukcji rozpoczyna transmisja wyników obserwacji z odbiorników satelitarnych do komputera. Późniejsze operacje obliczeniowe można podzielić na etapy. 2
Schemat procesu redukcji obserwacji GNSS 3
Etapy: obliczenia wstępne dla poszczególnych cięciw, a w tym: - obliczenie przybliżonych współrzędnych, - uformowanie potrójnych różnic fazowych i rozwiązanie, - kontrola i poprawienie utraconych cykli fazowych, - uformowanie podwójnych różnic fazowych, - rozwiązanie zagadnienia podwójnych różnic fazowych i wstępne wyznaczenie liczb N, analiza cięciw, a w tym: - uformowanie macierzy wariancyjnych dla obserwacji i dla współrzędnych, - wyznaczenie liczb całkowitych cykli fazowych N, - obliczenie charakterystyk dokładności i konstrukcja wykresów błędów, - porównanie poszczególnych rozwiązań dla każdej cięciwy, - obliczenie zamknięć figur, 4
obliczenie i wyrównanie sieci cięciw, a w tym: - wyrównanie sieci swobodnej, transformacje, a w tym: - wpasowanie sieci do istniejącej sieci (jeśli wymagane), - transformacja sieci do pożądanego układu odniesienia, - przejście od wysokości elipsoidalnych do ortometrycznych (o ile zostały wprowadzone informacje o wysokościach geoidy względem elipsoidy odniesienia), analiza sieci, a w tym: - uformowanie macierzy wariancyjnych dla cięciw, - obliczenie charakterystyk dokładności wyznaczenia przyrostów współrzędnych lub współrzędnych, - ocena uzyskanych dokładności i ewentualne powtórzenia obliczeń. 5
Po każdym z wymienionych etapów redukcji obserwacji GPS istnieje możliwość archiwizacji wyników. Duża część zadań redukcyjnych dotyczy ogólnych zagadnień opracowywania wyników pomiarów geodezyjnych (wyrównania, transformacje, oceny dokładności). Jednakże punkt ciężkości w zagadnieniach redukcyjnych obserwacji GPS jest skoncentrowany na dwóch pierwszych etapach redukcji. Są one specyficzne dla opracowania tego rodzaju obserwacji. Bywa, że wielu użytkowników profesjonalnego oprogramowania do redukcji obserwacji GPS wykorzystuje pakiety firmowe tylko w zakresie wstępnych obliczeń poszczególnych cięciw i ich analizy. Inne etapy procedury redukcyjnej istnieją w innych pakietach programów geodezyjnych. Zaawansowane pakiety programów GPS, przeznaczone raczej do celów badawczych, skupiają się na licznych i bardzo rozbudowanych procedurach dotyczących tych dwóch pierwszych etapów procesu redukcji. 6
Podział i ogólna charakterystyka programów redukcyjnych Oprogramowanie do redukcji obserwacji GPS można podzielić na trzy kategorie: - programy zawarte w odbiornikach GPS, - programy firmowe producentów odbiorników GPS do redukcji obserwacji, - zaawansowane pakiety wielofunkcyjnych programów do analizy i redukcji obserwacji GPS. 7
Programy zawarte w odbiornikach GNSS są związane z mikroprocesorem odbiornika. Są to programy całkowicie zależne od producenta odbiornika. Zazwyczaj są one sterowane przez zespół komend specyficznych dla danej marki i typu odbiornika lub za pomocą specjalnego menu. Zadaniem tych programów są testy poprawności pracy zespołów odbiornika z ewentualnym wskazaniem usterek. Umożliwiają te programy odczytanie wskazań zegara odbiornika, udostępniają informacje dotyczące aktualnego stanu obserwacji satelitów GPS. Wśród zadań tych programów należy wymienić weryfikację i zapamiętywanie wyników obserwacji. Za pomocą tych programów można wprowadzić do pamięci odbiornika dane zewnętrzne, takie jak: oznaczenie stacji obserwacyjnej, elementy mimośrodu anteny (wysokość nad punktem pomiarowym), wyniki pomiarów warunków meteorologicznych. 8
Mamy też możliwość wstępnej redukcji obserwacji w postaci wyznaczenia absolutnej pozycji. Można wykonać także obliczenia nawigacyjne. Większość programów wewnętrznych umożliwia niektóre obliczenia związane z programowaniem sesji obserwacyjnych (alertów). Większość producentów geodezyjnych odbiorników GPS wyposaża instrumenty w programy pozwalające operatorowi na wybór sposobu rozpoczęcia pracy odbiornika: szybki, automatyczny start do pomiarów albo z możliwością wprowadzenia różnorodnych parametrów pomiarowych. Można też z góry zaprogramować włączenie się odbiornika do pomiarów w określonym dniu i czasie - jednokrotne lub wielokrotne; można wybrać reżim obserwacyjny: pomiary statyczne, częściowo kinematyczne, szybkie statyczne czy też pomiary kinematyczne. Program wewnętrzny nadzoruje następnie zadany sposób pomiarów. 9
Programy firmowe można zainstalować w komputerach różnego typu. Są to z reguły pakiety zawierające zespół programów przeznaczonych do określonych funkcji. Niektóre ważniejsze funkcje oprogramowania firmowego TRIMVE C Plus firmy Trimble Navigation. Trzy zespoły programów: TRIMPLAN, TRIMBLE i TRIMSDB. 10
Programy TRIMPLAN - Survey Planning Software służą do przygotowania kampanii obserwacyjnych. Można za ich pomocą sporządzić wykresy obrazu nieba z torami satelitów podczas planowanych sesji obserwacyjnych, wyznaczyć liczbę widzialnych satelitów na zadanej stacji, obliczyć azymuty i wysokości satelitów, sporządzić wykazy dostępnych satelitów, a także obliczyć przewidywane liczby PDOP w zadanych momentach. Programy TRIMBLE - Postprocessing Software są zorganizowane w trzech grupach: 4000S Survey Support Software, T RlM640 Single-Baseline Processor i TRIMMBL Multiple-Baseline Processor. Zadaniem tych programów jest przygotowanie wyników pomiarów do obliczeń i przeprowadzenie redukcji w wersji pojedynczych cięciw i w wersji wielobazowej, tzn. opracowania sieci GPS. Programy TRIMSDB to grupa programów organizacyjnych służących do organizacji i tworzenia bazy danych punktów pomierzonych techniką GPS i zarządzania tą bazą. 11
Pośród znanych i powszechnie używanych programów do redukcji tego typu obserwacji GNSS można wymienić następujące: BERNESE GNSS Software - Uniwersytet Berneński, Szwajcaria, http://www.bernese.unibe.ch/ GAMIT - Massachussetts Institute of Technology - (MIT), USA, http://www-gpsg.mit.edu/~simon/gtgk/ GIPSY OASIS - Jet Propulsion Laboratory (JPL), USA https://gipsy-oasis.jpl.nasa.gov/ 12
BERNESE GNSS Software (aktualnie w wersji 5.2) Pakiet BERNESE GNSS Software jest systemem programów przeznaczonych dla celów naukowych i zawodowych, gdzie wymagana jest wysoka precyzja redukcji obserwacji GNSS. Struktura programu Pakiet zawiera 90 różnych programów zorganizowanych w pięciu grupach: transformacyjna, orbitalna, obliczeniowa, symulacyjna i usługowa. 13
Struktura danych Pliki danych akceptowanych przez program należą do trzech następujących grup: ogólne informacje (np. różne stałe, parametry systemu geodezyjnego, parametry modelu potencjału grawitacyjnego, informacje o położeniu ziemskiego bieguna, informacje o centrach fazowych anten itp.), informacje z kompanii obserwacyjnych, np. pliki z obserwacjami w formacie RINEX, współrzędne stacji odniesienia (fiducial) dla relaksacji orbit, dane orbitalne dla orbit precyzyjnych, różne dodatkowe pliki. 14
Wielkości obserwowane i funkcje obserwacji Generalnie program wykorzystuje podwójne różnicowe obserwacje fazowe i kodowe. Aby można było wykorzystywać w jednym przebiegu programu obydwa rodzaje obserwacji: fazowe i kodowe, stosuje się wagowania 1:10 000 dla P-code/faza i 1:100 000 dla C/A-code/faza. Program formuje i wykorzystuje pięć kombinacji liniowych oryginalnych częstotliwości faz fal nośnych L1 i L2: oryginalne L1 i L2, L3 - iono-free, L4 wąska ścieżka i L5 szeroka ścieżka. 15
Redukcje obserwacji GNSS, w szczególności dla bardzo długich cięciw lub wielkich sieci, wymagają precyzyjnego wyznaczenia różnorodnych parametrów. Programy zawarte w pakiecie BERNESE GNSS Software umożliwiają dostęp użytkownika do tych parametrów. Są to następujące zbiory parametrów: - niejednoznaczności całkowitej liczby cykli fazowych, - współrzędne x, y, z w układzie na ITRF lub przetransformowane do zadanych układów odniesienia wraz z pełną charakterystyka dokładności, - parametry orbit dla poszczególnych łuków orbitalnych (6 + 2 związane ze składowymi wpływu promieniowania), - poprawki zegarów odbiorników, - parametry troposfery dla poszczególnych stacji, - lokalny model troposferyczny, - modele jonosferyczne, - rozwiązanie dla wysokości w zadanym systemie wysokości. 16
Przykładowy ogólny schemat funkcjonalny zaawansowanych programów redukcyjnych obserwacji statycznych GNSS 17
Przykład pomiaru i postprocessingu sieci GNSS
OPRACOWANIE OSNOWY POZIOMEJ W LGO
OPRACOWANIE OSNOWY POZIOMEJ W LGO
OPRACOWANIE OSNOWY POZIOMEJ W LGO
LINIE BAZOWE WEKTORY WSKAZANE PARY PUNKTÓW
c c - WEKTORÓW c SIEĆ GPS OBLICZENIE LINII BAZOWYCH - WEKTORÓW
WYZNACZONE LINIE BAZOWE - WEKTORY
SIEĆ GPS obserwacje 3 wektory
SIEĆ GPS analiza wstępna
SIEĆ GPS oczka i niezamknięcia
SIEĆ GPS oczka i niezamknięcia
SIEĆ GPS Wyniki wyrównania
LITERATURA K. Czarnecki, Geodezja współczesna w zarysie, Wiedza i Życie/Gall, Warszawa 2000/Katowice 2010. R.Kadaj, T. Świętoń, Postprocessing po polsku, Geodeta NAWI nr 1 (19) 2009. http://www.bernese.unibe.ch/docs/docu52.pdf [dostęp 27.05.2017] http://www-gpsg.mit.edu/~simon/gtgk/ [dostęp 27.05.2017] https://gipsy-oasis.jpl.nasa.gov/ [dostęp 27.05.2017] J. Lamparski, Navstar GPS: od teorii do praktyki, Wyd. UW-M, Olsztyn 2001. 30