Dr hab. inż. Paweł Wielgosz, prof. UWM Instytut Geodezji Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Olsztyn, 7.02.2016r. Recenzja rozprawy doktorskiej Pana mgr inż. Grzegorza Nykiela pt. Metodyka absolutnego pozycjonowania z wykorzystaniem fazowych obserwacji GPS i Galileo Podstawą formalną recenzji jest pismo Pana Dziekana Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji Wojskowej Akademii Technicznej z dnia 7 stycznia 2016 r. Przedstawiona rozprawa doktorska dotyczy popularnej obecnie tematyki badań związanych z rozwojem algorytmów do precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego z wykorzystaniem obserwacji globalnych systemów pozycjonowania satelitarnego GNSS. Autor rozprawy skupił się na algorytmach do precyzyjnego pozycjonowania absolutnego PPP w trybie statycznym, wykorzystującym przy tym obserwacje systemów GPS oraz Galileo. Rozprawa liczy 108 stron i składa się ze wstępu, czterech rozdziałów opisujących istniejący stan wiedzy, dwóch rozdziałów przedstawiające badania własne doktoranta oraz podsumowania i wniosków, a także z pięciu załączników. W głównej części pracy przestawiono 41 rysunków i 15 tabel, w dodatkach kolejne 43 rysunki i 2 tabele. Spis literatury zawiera 79 pozycji, wszystkie w języku angielskim. We wstępie pracy autor podaje rys historyczny budowy systemów GPS i Galileo, przybliża metodę PPP (precise point positioning) oraz definiuje cel pracy, którym jest przedstawienie autorskiej metody PPP bazującej na obserwacjach fazowych pojedynczych różnic między satelitami systemów GPS oraz Galileo w postaci kombinacji liniowych wide-lane oraz narrowlane. Ponadto autor stawia tezę, że pojedyncze różnice między satelitami, a także
kombinacje liniowe wide-lane oraz narrow-lane obserwacji fazowych GPS i Galileo mogą stanowić efektywną metodę do estymacji pozycji oraz opóźnienia troposferycznego, a także pozwalają zmniejszyć czas zbieżności rozwiązania w stosunku do metod bazujących tylko na kombinacji ionosphere-free. Cel pracy jest ambitny, choć trochę niefortunne jest sformułowanie obserwacje fazowe pojedynczych różnic zamiast pojedyncze różnice obserwacji fazowych. W części przedstawiającej rys historyczny autor nie ustrzegł się pewnych błędów, merytorycznych jak i edytorskich, np.: - podaje, że pierwsze prace koncepcyjne nad systemem GPS rozpoczęto w 1973 roku, podczas gdy prace te rozpoczęły się 10 lat wcześniej (program 621B), - od początku projektowania i budowy GPS był systemem dual-use wojskowy i cywilny, a nie jak podaje autor tylko wojskowy, gdyż już pierwszy satelita testowy (1978 r.) generował kod C/A oraz w tym celu był finansowany częściowo ze środków cywilnych (DoT), - w roku 1988 było już na orbicie kilka satelitów GLONASS, a autor podaje, że w tym roku dopiero rozpoczęto pracę nad tym systemem, - w opisie autor stwierdza, że system BDS będzie składał się z 30 MEO + 5 GEO satelitów, a w tabeli 1.1 podaje ich 27, w rzeczywistości będzie to 27 MEO + 3 IGSO + 5 GEO, - system QSZZ składa się obecnie (2016) tylko z jednego satelity, a docelowa liczba ma wynieść cztery (w tym jeden geostacjonarny), autor zaś podaje, że system składa się z trzech satelitów, - w technice RTK proces obliczeniowy przeprowadza odbiornik, a nie kontroler, którego zadaniem jest jedynie prezentacja wyników tych obliczeń oraz sterowanie odbiornikiem, - dyskusyjna jest także kwestia czy rozwiązanie PPP jest łatwiejsze niż RTK. Recenzentowi brakuje tu nadal szerszego omówienia współczesnych metod PPP-RTK opracowanych po 2008 roku, autor przedstawił te metody w zaledwie 3 zdaniach. Większość powyższych uwag zostało już przedstawionych w recenzji do poprzedniej wersji pracy i najwyraźniej doktorant ich nie uwzględnił w obecnej wersji. W krótkim rozdziale 2 doktorant omawia strukturę sygnałów systemów GPS oraz Galileo. Prezentuje klasyczne sygnały systemu GPS oraz nowe sygnały nadawane przez satelity zmodernizowanych bloków, omawia ich własności. Następnie omawia sygnały systemu Galileo, prezentując ich widmo oraz własności. Podsumowanie charakterystyk sygnałów obu systemów zaprezentował w Tabeli 2.1 umieszczonej na końcu rozdziału.
Uwagi: - autor podaję, że zmodernizowany sygnał GPS L5 wprowadzono w 2005 roku wraz z satelitami bloku II-F, a chwile później twierdzi, że pierwszy satelita tego bloku został wystrzelony w maju 2010, - zupełnie pominięto najciekawszy sygnał systemu Galileo E5 AltBOC. Rozdział 3 zawiera omówienie równań obserwacyjnych obserwacji GNSS. Doktorant przedstawia tu równania obserwacyjne pomiarów pseudoodległości oraz pomiarów fazowych, następnie omawia rodzaje różnicowania obserwacji, skupiając się na pojedynczych różnicach pomiędzy satelitami, które wykorzystał w zaproponowanym przez siebie modelu precyzyjnego pozycjonowania absolutnego. W dalszej części rozdziału przedstawia charakterystyki popularnych kombinacji liniowych obserwacji GNSS, należy tu podkreślić, że doktorant prawidłowo rozróżnił kombinacje liniowe obserwacji fazowych wyrażonych w cyklach oraz w metrach, co jest wciąż przyczyną częstych błędów i nieporozumień. Ponadto wyznaczył i zaprezentował parametry kombinacji linowych dla 2 wybranych częstotliwości systemu Galileo (Tabela 3.1). Uwagi do treści rozdziału: - całkowitoliczbowe nieoznaczoności pomiarów fazowych w tekście oznaczone są literą N, a we wzorach (np. 3.6) literą B, - nie jest jasny charakter ustawień początkowych oscylatora satelity (wzór 3.6), wydaje się, że autor miał namyśli opóźnienia sprzętowe obserwacji fazowych (strona 8), które to skorelowane są z nieoznaczonościami, co znacząco utrudnia ich całkowitoliczbowe wyznaczenie; także sformułowanie początkowe wartości fazy oscylatora wymaga wyjaśnienia, - nie jest jasne dlaczego autor konsekwentnie unika ujawniania w równaniach obserwacji GNSS opóźnień sprzętowych, co w efekcie prowadzi do dość zaskakujących rezultatów jak wzór 3.31, gdzie brak jest parametrów DCB, co jest pewnym błędem (jednocześnie parametry te są wykorzystywane później w rozdziale 7.3). W rozdziale 4 autor omawia błędy występujące w pozycjonowaniu GNSS. Na początku doktorant przedstawia błędy związane parametrami orbit i zegarów satelitów GPS. Wspomina
o ważnym dla techniki PPP serwisie IGS-RTS udostepniającym precyzyjne produkty w czasie rzeczywistym z interwałem 1 sekundy. Omawia również estymowaną dokładność dostępnych produktów orbitalnych dla satelitów systemu Galileo, zawracając słusznie uwagę na fakt, że brak jest obecnie oficjalnych produktów. W dalszej części rozdziału autor przedstawia poprawki relatywistyczne i poprawki ze względu na centra fazowe anten satelitów. Doktorant nie ustrzegł się tu drobny pomyłek, np. podając PCO anten satelitów Galileo błędnie przypisuje takie same wartości wszystkim satelitom systemu, choć wiadomo że satelity fazy IOV oraz FOC mają inną konstrukcję oraz wynikającą z tego różnicę poprawki PCO rzędu 40 cm (s.28). Fakt ten mógł wpłynąć na wyniki przedstawione w podrozdziale 7.1.2. W podrozdziale 4.2 doktorant przedstawia błędy zależne od odbiornika, podaje tu na wykresie ciekawy przykład dla anteny typu choke-ring. Dalej omawiany jest efekt phase wind-up oraz tzw. błędy początkowej fazy oscylatora określane w literaturze częściej jako UPD (uncalibrated phase delays), co znacznie lepiej oddaje ich charakter, gdyż wynikają właśnie z opóźnienia sprzętowego (moim zdaniem nie są początkowymi ustawieniami oscylatora ). Słusznie zauważa, że jest to ważny problem w technice PPP wpływający na jakość wyznaczania nieoznaczoności pomiarów fazowych. W podrozdziale 4.3 omówione są błędy propagacji sygnału, począwszy od refrakcji jonosferycznej, a kończąc na troposferycznej. Autor przedstawia zależności opóźnienia sygnałów GNSS od parametrów tych ośrodków oraz stara się omówić metody eliminacji wpływu opóźnienia atmosferycznego na wyniki pozycjonowania satelitarnego, w szczególności metodą PPP. Nieco zaskakująca jest definicja jonosfery jako warstwy, w której wolne elektrony oraz dodatnio naładowane jony łączą się ze sobą pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego. Więc autor definiuje ten ośrodek poprzez proces, który powoduje jego zanikanie. Recenzent preferuje klasyczną definicję jonosfery - poprzez proces jonizacji. Omawiając metody eliminacji opóźnienia jonosferycznego w pomiarach GNSSS, doktorant wymienia najbardziej efektywną (poprzez estymacje tego opóźnienia), ale już nie umieszcza jej na rysunku 4.7. Następnie doktorant omawia dosyć szczegółowo opóźnienie troposferyczne podając dla stacji WAT przykład jego zmienności w ostatnich kilku latach.
W ostatnim podrozdziale w tej części pracy autor omawia błędy geofizyczne, takie jak pływy skorupy ziemskiej, oceaniczne, parametry ruchu obrotowego Ziemi, kończąc na efekcie cycleslip. Należy podkreślić, że w algorytmie XPPP doktorant stosuje modele tych zjawisk zgodne z aktualnie obowiązującym standardem IERS2010. W rozdziale 5 autor przedstawia klasyczną metodę PPP przedstawioną w 1997 roku przez Zumberge i in., a rozwiniętą w 2001 roku przez Kouba i Heroux. Opisuje równania obserwacyjne modelu opartego na opracowaniu sygnału ionosphere-free, przedstawia konstrukcje macierzy współczynników. W części opisującej istniejące algorytmy PPP omawia klasyczne metody tego rozwiązania. Na końcu tego rozdziału pokrótce doktorant wymienił współczesne metody PPP-RTK, w których przeprowadza się wyznaczenie całkowitoliczbowych nieoznaczoności pomiarów fazowych. W tej sekcji używa już określenia opóźnienia sprzętowe dla satelitów, zamiast enigmatycznego niezerowe ustawienia oscylatora. W mojej ocenie sekcja dotycząca PPP- RTK mogłaby być bardziej rozbudowana, gdyż dotyczy obecnego stanu wiedzy w technice PPP. Rozdział 6 stanowi najważniejszą część rozprawy i zawiera przedstawienie autorskiej metody doktoranta - XPPP zaimplementowanej we własnym oprogramowaniu GPES napisanym w języku Python. Oprogramowanie to składa się z 3 głównych modułów: inicjalizacji, procesu obliczeniowego i zapisu wyników. Przy czym moduł inicjalizacji odpowiedzialny jest za wczytanie danych obserwacyjnych oraz szeregu produktów wspomagających precyzyjne pozycjonowanie. Moduł ten obsługuje wiele popularnych i standardowych formatów danych. Moduł zapisu wyników przygotowuje dosyć przejrzysty raport z obliczeń omówiony w podrozdziale 6.3 i przedstawiony w całości w załączniku D. Moduł procesu obliczeniowego zawiera implementację autorskiej metody XPPP. Doktorant zaproponował tu zastosowanie kombinacji liniowej ionosphere-free dla pomiarów kodowych oraz wide-lane i narrow-lane dla pomiarów fazowych w modelu BSSD. Prawidłowo uwzględnia korelacje obserwacji wynikające z ich różnicowania, podaje równania obserwacyjne oraz matematyczny model pozycjonowania. Zastanawiające jest dlaczego autor nie uwzględnia powszechnie stosowanego wagowania obserwacji we względu na wysokość satelity nad horyzontem (równania 6.14 i 6.15). Kolejne uwagi do przedstawionych równań:
- w równaniach obserwacyjnych 6.9 6.11 zastosowana jest taka sama poprawka chodu zegara satelity, jednak jak wiadomo korekcje z pliku SP3/CLK dotyczą tylko kombinacji ionofree i stosując kombinacje wide-lane i narrow-lane należy (stosując dodatkowe produkty IGS) korekcje te przeliczyć do odpowiednich kombinacji, a różnice te są znaczące, - w równaniu 6.14 nie jest jasny parametr ns, który następnie znika w 6.15, s - czym różnią się częstotliwości f 1 i f ref s 1 oraz f 2 i f ref 2? (taki zapis wskazuje na możliwość różnicowania sygnałów o różnych częstotliwościach?), - w równaniach od 6.2 do 6.6 autor używa oznaczenia BwL oraz BwL dla opisu pojedynczych różnic nieoznaczoności wide lane oraz narrow lane, zaś w równaniu 6.16 pojawiają się nowe oznaczenia, a w 6.19 jeszcze inne, czy chodzi tu o ten sam parametr?, - co ważniejsze, parametry I są wyznaczane łącznie z nieznacznościami (s.55), lecz doktorant nie wprowadził nowego parametru zawierającego w sobie i nieoznaczoności i opóźnienie jonosferyczne, co może powodować pewne nieporozumienia przy omawianiu dalszych równań, - pewnych wyjaśnień wymaga omówienie równania 6.20, doktorant stwierdza tu, że zmiana opóźnienia jonosferycznego z epoki na epokę jest bliska zeru (wymusza zerowy szum procesu), co w pewnych warunkach może być prawdą, to jednocześnie w przypadku wielokrotnie mniej zmiennego ZTD szum procesu ustala na 1-5 mm/godzinę, - równanie 6.22 jest dosyć zaskakujące, poproszę tu o wyjaśnienia dotyczące możliwości wyznaczenia absolutnych wartości nieoznaczoności, np. jak w przypadku 7 satelitów mając do dyspozycji 6 pojedynczych różnic nieoznaczoności można z powrotem wyznaczyć 7 absolutnych nieoznaczoności?, moim zdaniem taki układ równań ma nieskończenie wiele rozwiązań (6 obserwacji i 7 niewiadomych). Podsumowując tez rozdział, zaproponowany algorytm XPPP jest ciekawy, nie ma odpowiednika w literaturze, jednak przed opublikowaniem pracy jego przedstawienie wymaga pewnego uściślenia oznaczeń parametrów i opisów przedstawionych w pracy równań. Rozdział 7 zawiera omówienie wyników uzyskanych podczas testów numerycznych przeprowadzonych na rzeczywistych danych obserwacyjnych z wykorzystaniem opracowanej metody XPPP. Doktorant przedstawia analizy w kontekście wyznaczania współrzędnych oraz opóźnienia troposferycznego. Należy podkreślić, że badania przeprowadzono na
rzeczywistych danych obserwacyjnych zebranych na pięciu stacjach GNSS sieci EPN BRUX, ENTZ, TLSE, STAS, CEBR rozmieszczonych w różnych częściach Europy. Do analiz doktorant wykorzystał dane zebrane w trzech sesjach 24-godzinnych w różnych okresach aktywności jonosferycznej, począwszy od jonosfery spokojnej (7 stycznia 2015), a skończywszy na dwóch najsilniejszych burzach geomagnetycznych, które miały miejsce w 2015 roku (17 marca i 23 czerwca 2015). Taki wybór danych testowych umożliwia przeprowadzenia analiz poprawności implementacji modeli zjawisk geofizycznych oraz badania wpływu aktywności jonosfery na wynik uzyskane algorytmem XPPP. Uzyskiwane współrzędne osiągają zbieżność w okresie od 1 do 3 godzin, a rozwiązania z 24 godzin prezentują bardzo dobrą dokładność, w granicach kilku milimetrów od rozwiązania referencyjnego EPN. W rozprawie doktorant zwarł szczegółowe analizy otrzymanych współrzędnych. W celu weryfikacji wyników autor przedstawił wyniki wykorzystujące standardowe podejście oparte na kombinacji iono-free. Różnice współrzędnych w stosunku do nowej metody z opracowania sesji 24-godzinnych nie przekraczają 1 mm. Bardzo interesujące wyniki dotyczące czasu inicjalizacji (uzyskania zbieżności rozwiązania) przedstawiono w podrozdziale 7.1.1. Autor wykazał, że metoda XPPP pozwala skrócić ten czas o około 20% w stosunku do metody iono-free, co jest znaczącym wynikiem. W dalszych testach (podrozdział 7.1.2) doktorant podjął próbę zastosowania w swoim algorytmie obserwacji z aktualnie dostępnych satelitów systemu Galileo. Autor skorzystał tu z produktów centrum CODE z uwagi na brak odpowiednich produktów dla systemu Galileo w ofercie służby IGS. Doktorant wykazał, że obecna liczba satelitów jest niewystarczająca do ich optymalnego wykorzystania w technice PPP, lecz w pewnych warunkach nowe obserwacje powalają na poprawę uzyskiwanych wyników. W podrozdziale 7.2 autor omawia wyniki estymacji opóźnienia troposferycznego z zastosowaniem zaproponowanych przez siebie algorytmów. Uzyskane ZTD charakteryzują się dobrą stabilnością. Dodatkowo, w celu weryfikacji, doktorant porównał swoje rezultaty z rozwiązaniem referencyjnym EPN. Ponieważ interwał rozwiązania referencyjnego wynosi jedną godzinę, standardowo rozwiązanie to porównuje się do rozwiązań z np. 30-sekundowym interwałem w środku godzinnego interwału, czyli o godzinie 0:30, 1:30, 2:30 itp. Doktorant wybrał jednak porównanie w pełnych godzinach uzyskując przy tym wysoką zgodność wyników. Nie mogę się jednak zgodzić ze stwierdzeniem, że EPN dostarcza godzinne wartości średnie ZTD (s. 71).
Ostatni podrozdział tej części pracy (7.3) przedstawia analizy wyznaczonych nieoznaczoności. Jak wcześniej wspominał, otrzymane nieoznaczoności obarczone są wpływem opóźnienia jonosferycznego. Doktorant zauważył, że suma nieoznaczoności wide-lane oraz narrow-lane powinna teoretycznie wynieść dwukrotność nieoznaczoności dla kombinacji iono-free (równanie 7.1). Wobec tego przeprowadził sprawdzenie tego warunku uzyskując 80-cm różnicę dla przykładowego satelity. Następnie podjął próbę, jednak nieudaną, wyjaśnienia przyczyn tej różnicy. Wprowadził wzory 7.2 i 7.3 które budzą bardzo poważne wątpliwości, a w których lewa strona równania nie równa się prawej, a mimo tego użyty jest znak równości. A ponadto do korekcji obserwacji fazowych używa różnicy opóźnień sprzętowych obserwacji kodowych (!) co jest zupełnie niezrozumiałe. Z tych oczywistych względów taka próba wyjaśnienia różnicy nie udaje się. Recenzent rekomenduje tu rozpisanie równań obserwacyjnych z uwzględnieniem opóźnień sprzętowych obserwacji fazowych i przeanalizowanie ich zachowania w poszczególnych kombinacjach liniowych. Możliwe jest również, że nieuwzględnienie opóźnienia jonosferycznego spowodowało częściowe obciążenie nim innych parametrów oraz obserwacji (rezydua), stąd nieoznaczoności wide-lane i narrow-lane są nim obciążone w równym stopniu. W rozdziale 8 autor podsumowuje wyniki badań, omawia otrzymane rezultaty i formułuje wnioski końcowe. Wnioski te dotyczące algorytmów, wyznaczeń współrzędnych i opóźnienia troposferycznego są poprawne. Jedyne zastrzeżenia budzą wnioski dotyczące uzyskanej różnicy nieoznaczoności, co wiąże się z zawartością podrozdziału 7.3 Wniosek końcowy Podsumowując recenzję, należy stwierdzić, że autor podjął się ambitnego zadania polegającego na opracowaniu własnego, autorskiego oprogramowania GPES realizującego precyzyjne pozycjonowanie absolutne PPP. Opracowanie takiego oprogramowania od podstaw z pewnością wymaga znacznej wiedzy z zakresu metod i teorii precyzyjnego opracowania obserwacji GNSS. Tematyka ta jest szeroko publikowana w najlepszych czasopismach z zakresu geodezji, co potwierdza, że recenzowana rozprawa doktorska mieści się w tej dyscyplinie. Sam sposób przygotowania pracy wciąż wskazuje pośpiech przy jej redagowaniu. Autor powielił wiele błędów z poprzedniej wersji pracy i recenzowana rozprawa wciąż zawiera błędy i nieścisłości, głownie w przedstawionych równaniach. Budzi to pewne zdziwienie, gdyż w
przewodzie występował promotor pomocniczy, którego jednym z zadań jest wyeliminowanie takich błędów. Błędy te należało by skorygować przed wydaniem pracy. Niemniej jednak ogólny poziom pracy spełnia wymagania stawiane rozprawie doktorskiej, a przeprowadzone testy numeryczne na rzeczywistych danych obserwacyjnych w mojej ocenie są wystarczające i potwierdzają skuteczność zaproponowanych rozwiązań. W szczególności należy podkreślić szybszy czas zbieżności uzyskany z wykorzystaniem algorytmu XPPP. Do głównych osiągnięć doktoranta należy zaliczyć opracowanie autorskich algorytmów do precyzyjnego pozycjonowania techniką PPP, a następnie ich zaimplementowanie i przetestowanie we własnym, stworzonym od podstaw oprogramowaniu. W mojej ocenie przedstawiona przez mgr inż. Grzegorza Nykiela rozprawa doktorska spełnia warunki określone w art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. z 2003 r. nr 65 poz. 595 z późn. zm.) i może być dopuszczona do publicznej obrony.