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
ourtesy of ESA Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS)
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.
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.
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
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
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 20183 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)
Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) System GPS Ślady satelitów zrzutowane na powierzchnię Ziemi. Rozmieszczenie satelitów na 6 płaszczyznach orbit.
Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) System GLONASS Ślady satelitów zrzutowane na powierzchnię Ziemi. Rozmieszczenie satelitów na 3 płaszczyznach orbit.
Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (GNSS) System Galileo (w budowie) Ślady satelitów zrzutowane na powierzchnię Ziemi. Rozmieszczenie satelitów na 3 płaszczyznach orbit.
Satelity Galileo na nieprawidłowych orbitach Nominalna orbita (E30) Interwał: 15 min. Długość danych: 26h Epoka początkowa: 2016 08 30 0 0 0.00 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)
Konstelacje satelitów GNSS 50 000 km Różne charakterystyki konstelacji satelitów GNSS i RNSS wysokość orbity/okres orbitalny, ekscentryczność, kąt inklinacji, budowa (stosunek masy do rozmiaru) 40 000 QZSS BeiDou IGSO/GEO 30 000 20 000 Galileo nieprawidłowe Galileo BeiDou MEO GPS GLONASS 10 000 Ziemia GRACE
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 115 132 84 60 60 42 42 90 42 Masa [kg] 1450 750 695-697 661/662 706-709 1 900 1 900 1 550 1 800 Dłuższa półoś [km] 25 500 25 520 29 600 27 978 29 600 27 878 42 164 42 164 42 164 Wysokość [km] 19 130 19 130 23 225 17 178-26 019 23 226 21 507 35 793 35 793 32 000-40 000 Typ orbity MEO MEO MEO MEO MEO MEO Geosynchronous Geostationary Geosynchronous Mimośród 0.0001 0.0001 0.0001-0.0002 0.1585/0.1584 0.0001-0.0004 < 0.003 0.0023 0.0002 0.099 Inklinacja [deg] 64.8 68.8 54.93-55.57 50.10/50.16 54.94-57.25 55.00 55.60 ~0.0-1.8 43.0 J01
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. https://doi.org/10.1007/s00190-017-1050-x 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): 232003. doi:10.1088/0264-9381/32/23/232003.
Analiza MDEV stabilności zegarów produkty real-time Stabilność zegarów poszczególnych systemów dla czasów integracji 30-43800s (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)
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)
ourtesy of NASA Pomiary laserowe do Galileo
Retroreflektory laserowe na satelitach Galileo Galileo 101-104 (84 CCRs) Liczba obserwacji SLR (dzienna) Galileo 201-2?? (60 CCRs)
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
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
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.
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.
Nowy interaktywny serwis internetowy do analiz danych SLR@multi-GNSS http://multi-slrgnss.rhcloud.com/ Zajdel R, Sośnica K, Bury G (2017) GOVUS. DOI: 10.13140/RG.2.2.11241.29286
Zatwierdzenie serwisu przez NASA/ILRS nowe Centrum Analiz ILRS
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
Infrastruktura GNSS
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
Stacja WROC Stacja multi-gnss WROC
Satelity widoczne nad Wrocławiem BeiDou GEO BeiDou Geosynchroniczne Nachylone
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
Stacje śledzące satelity GNSS w rozwiązaniach CODE Galileo BeiDou QZSS WROC WROC WROC Stacja WROC pierwszą na świecie stacją MGEX śledzącą drugiego satelitę QZSS
ITRF2014 - http://itrf.ign.fr/itrf_solutions/2014/tp_14-08.php Id. DOMES # SOLN Tech Site Name Long. Lat. ---------------------------------------------------------------- LROC 10023M001 1 GPS La Rochelle 358.78068 46.15894 AJAC 10077M005 1 GPS Ajaccio 8.76262 41.92746 BUDP 10101M003 1 GPS Copenhaguen 12.50003 55.73902 7331 10317S003 1 VLBI Ny-Alesund 11.86970 78.92911 7213 10402S002 1 VLBI Onsala 11.92636 57.39584 MAR6 10405M002 1 GPS Martsbo 17.25853 60.59514 KIR0 10422M001 1 GPS Kiruna 21.06024 67.87758 VIS0 10423M001 1 GPS Visby 18.36732 57.65387 VIL0 10424M001 1 GPS Vilhelmina 16.55993 64.69785 METS 10503S011 1 GPS Metsahovi 24.39532 60.21747 VAAS 10511M001 1 GPS Vaasa 21.77064 62.96119 7839 11001S002 1 SLR Graz 15.49336 47.06714 SOFI 11101M002 2 GPS Sofia 23.39473 42.55610 PENC 11206M006 1 GPS Penc 19.28153 47.78960 WROC 12217M001 2 GPS Wroclaw 17.06204 51.11326 UZHL 12301M001 1 GPS Uzhgorod 22.29762 48.63198 RIGA 12302M002 1 GPS Riga 24.05878 56.94862 MDVO 12309M002 3 GPS Mendeleevo 37.22359 56.02748 IRKT 12313M001 1 GPS Irkoutsk 104.31624 52.21902 TASH 12327M001 2 GPS Tashkent 69.29557 41.32805 KIUB 12334S006 1 DORIS Kitab 66.88539 39.13473 POLV 12336M001 1 GPS Poltava 34.54293 49.60261 7380 12350S001 1 VLBI Svetloe 29.78194 60.53235 YAKT 12353M002 2 GPS Yakutsk 129.68030 62.03096 Stacja WROC jako jedyna stacja GNSS w Polsce została wykorzystana do wyznaczenia parametrów transformacji pomiędzy układami odniesienia: ITRF2008 i ITRF2014
EPOS- SYSTEM OBSERWACJI PŁYTY EUROPEJSKIEJ POIR.04.02.00-14-A0003/16 Priorytet IV: ZWIĘKSZENIE POTENCJAŁU NAUKOWO-BADAWCZEGO Działanie 4.2: ROZWÓJ NOWOCZESNEJ INFRASTRUKTURY BADAWCZEJ SEKTORA NAUKI Okres realizacji: 2016-2021 Wartość projektu: 62 558 323,87 PLN Dofinansowanie ze środków EFRR: 47 399 281,47 PLN Beneficjent: Konsorcjanci: PROJEKT EPOS - SYSTEM OBSERWACJI PŁYTY EUROPEJSKIEJ JEST WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO
Infrastruktura EPOS-PL Radiometry Zewnętrzny wzorzec częstotliwości Sejsmometry Odbiorniki Multi-GNSS Grawimetr pływowy InSAR Niwelacja precyzyjna
Institute of Geodesy and Geoinformatics http://www.igig.up.wroc.pl/igg/ 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
Dziękuję za uwagę Krzysztof Sośnica krzysztof.sosnica@igig.up.wroc.pl Instytut Geodezji i Geoinformatyki