Novinky zeměměřické knihovny č.1-2/2003

Abstrakt: Disertační práce pojednává o možnostech využití numerické předpovědi povětrnosti (tedy troposférických vlivů) při zpracování kinematických GPS měření, konaných v reálném čase (RTK). Je to zaměřeno na sítě referenčních stanic. Odvozené modely a postupy mohou být zajímavé i pro určování jednotlivých bodů statickou a běžnou kinematickou metodou. Je věnována pozornost i vlivům ionosféry.

Poznámka: Téma této publikace je mimořádně závažné a disertace Anny Jensen si zaslouží pozornost pro systematické zpracování s velkým množstvím teoretických poznatků a ilustračního materiálu. Nelze ji ovšem při daném rozsahu smysluplně zpracovat ve formě důsledného "zkráceného překladu". V tomto textu se proto prolínají překlady jednotlivých vybraných pasáží disertace s komentářem, přičemž je zachováno původní členění díla podle kapitol. - Vzorce, obrázky a tabulky (i odkazy na ně) jsou vypuštěny, musí se studovat v originálu.

Abstrakt (autorský):
Signály družic GPS, procházející atmosférou, jsou ovlivňovány tímto prostředím, přičemž efekt neutrální atmosféry je závislý na meteorologických podmínkách podél trasy signálu. Tento efekt je často nazýván troposférické zpoždění (viz k tomu poznámku na začátku oddílu 2. Atmosféra).

V procesu určování poloh pomocí GPS se troposférické zpoždění zpravidla uvažuje s pomocí globálních troposférických modelů. Pro vysoce přesné relativní určování poloh na základě fázových měření však tento způsob není dostatečně přesný, takže je nutné používat jiné postupy, zejména jde-li o dlouhé základny.

V této disertaci se do zpracování GPS dat zavádějí numerické předpovědi povětrnosti (NWP - Numerical Weather Predictions). Jsou to předpovědi meteorologických podmínek v trojrozměrném prostoru pro danou oblast a čas, které lze využít pro předpověď troposférického zpoždění integrací informace z NWP podél trasy družicového signálu. Jelikož NWP jsou předpovědi, lze tento postup využít jak v postprocessingu, tak i ve zpracování GPS v reálném čase.

Tato metoda byla vyzkoušena na statických i kinematických měřeních zpracovávaných v postprocessingu, i na kinematických měřeních v reálném čase (RTK). S využitím regionálních NWP bylo dosaženo lepších výsledků než s nejlepšími modely globálního troposférického zpoždění; též ambiguity se řešily rychleji a spolehlivěji.

Pro malé elevace byl implementován postup "trasování paprsku" namísto standardní "mapovací" funkce zenitových zpoždění dolů, k malým výškovým úhlům. Některé testy ukázaly, že to může být užitečné pro signály přijímané pod elevačními úhly menšími než 10°.

Úvod

Dráhové chyby lze utlumit využitím předpovědních nebo přesných drah dostupných na internetu, ionosférické efekty prvního řádu se eliminují lineární kombinací měření na kmitočtech L1 a L2 signálů GPS, takže největším zdrojem chyb zůstává vliv nejnižší části neutrální atmosféry.

Po vyloučení hlavní složky troposférického zpoždění pomocí globálních modelů se při přesném postprocessingu určují jeho zbytkové složky ve společném vyrovnání se souřadnicemi. To ovšem předpokládá, že ostatní zdroje chyb jsou modelovány s dostatečnou přesností - což běžně není možné pro komerční statické či kinematické určování poloh, a vůbec ne pro RTK.

Pro "síťové" RTK, využívající síť referenčních stanic, funguje určování zbytkových troposférických vlivů uspokojivě pro vzdálenosti mezi stanicemi do ca 50 km, protože při větších vzdálenostech zbytkové troposférické chyby narušují generování RTK korekcí. Žádoucí zlepšení může být dosaženo zavedením numerické předpovědi povětrnosti (NWP). Jelikož RTK korekce se v sítích referenčních stanic generují v jejich operačních centrech, zavedení NWP je bez logistických problémů, neboť potřebná data mohou být snadno získávána v síti internetu.

1. Relativní určování polohy pomocí GPS

2. Atmosféra

Poznamenejme hned na tomto místě, že veličina nazývaná často (ve smyslu překladu i zde) zpoždění (delay), v některých českých textech i "refrakce", je ve skutečnosti posun (určitého místa šířícího se signálu) ve směru tečny k paprsku, a má rozměr délky.

V části o ionosféře je mj. definována charakteristika TEC (Total Electron Content), celkový počet elektronů podél trasy signálu, spolu s užívanou jednotkou TECU, která odpovídá počtu 10¹⁶ elektronů na (lze říci i "nad") 1 m². 1 TECU odpovídá zpoždění signálu pro směr k zenitu rovnému 0,16 m pro L1 a 0,27 m pro L2. Připomíná se souvislost TEC se slunečním jedenáctiletým cyklem, uvádí se denní (maximum asi ve 14 hod., minimum ve 22 hod. místního času) a roční variace TEC (minimum v létě, maximum kolem rovnodenností, což se zdá být podivné, ale souvisí s průběhem procesů ionizace a rekombinace). Pokud jde o změny během slunečního cyklu, zjištěné maximum bylo kolem 1000 TECU; typická hodnota se odhaduje dlouhodobě na 100 TECU. Je pojednáno o vlastnostech ionosféry v zóně polárních září, efektech geomagnetického pole a geomagnetických bouří - všechny mohou ovlivňovat signál GPS. Jevy v zóně polárních září začínají zajímat americký navigační systém WAAS, který má pokrývat Aljašku a části Kanady. V polárních končinách, v oblasti polárních září a u rovníku se vyskytují scintilace, náhodné a velmi rychlé fluktuace v průchodu vln ionosférou - jsou způsobeny malými nepravidelnostmi elektronové koncentrace. Pro GPS to znamená změny amplitudy a/nebo fáze přijímaného signálu, s možným výpadkem příjmu či fázových skoků.

Pokud jde o neutrální atmosféru, pro kterou je podáno rozlišení znaků tropo- a stratosféry, jsou odvozeny vzorce pro výpočet zpoždění na základě integrace refraktivity (tj. indexu lomu zmenšeného o 1) podél trasy paprsku. Refraktivita se vyjadřuje jako funkce základních meteorologických parametrů (teplota, tlak, vlhkost). Je uvedeno několik modelů (Hopfield, Ifadis, Saastamoinen) a naznačen způsob určení troposférického zpoždění z dat GPS; jde o postupy tzv. GPS meteorologie. Pro kvantitativní představu se uvádí, že diferenciální troposférické zpoždění je asi 0,3–0,5 ppm, což způsobí chybu v poloze ca 2 cm pro základnu 50 km. Ale chyba může být mnohem větší při přechodu fronty nebo pro velký rozdíl výšky bodů, a ovšem pro delší základny. V síti referenčních stanic je možné využít jejich měření k určení zenitových zpoždění v reálném čase, a ta pak uplatnit při zpracování poloh v RTK. To však může vnést korelace do procesu určování polohy, neboť stejná data by byla užita dvakrát: pro výpočet zenitových zpoždění a pak pro určení poloh roverů. To může nastat i v případě, že stejné permanentní stanice produkují data pro RTK i pro předpovědi povětrnosti.

Jiný způsob je zavedení do zpracování síťových měření RTK troposférických zpoždění určených na základě numerických povětrnostních předpovědí. Za předpkladu, že data z GPS nejsou využívána pro operativní předpovědi počasí, jsou odvozená troposférická zpoždění pro zpracování RTK nezávislými měřeními. – Tomuto způsobu je věnováno jádro disertace.

3. Numerické předpovědi povětrnosti

Zdrojem dat jsou globálně rozložené meteorologické stanice, ale také radiosondy, mikrovlnné radiometry, informace z transatlantických letadel aj. Pro tvorbu modelů se nejprve užívá interpolační schéma, které převádí nepravidelně rozložené údaje do pravidelné sítě.

Počítají se čtyři NWP různého rozsahu: D pokrývá Dánsko a nejbližší okolí (jako jih Norska a Švédska), E - celou Evropu až po část Grónska, N - Grónsko, Island a sever Kanady a konečně největší G jde až do poloviny USA, severní Afriky a téměř celé Sibiře. Jsou to oblasti, potřebné pro úkoly DMI.

S využitím rovnic dynamiky plynů jsou zde odvozeny vzorce pro výpočet refraktivity a celkového zenitového zpoždění, podáno jeho ověření pomocí dat radiosond a GPS, zvláště je diskutována otázka vodních par. Možnost se jeví jako nadějná - což se dále ověřuje v následujících dvou kapitolách.

4. Zenitová zpoždění pro GPS z údajů sítě HIRLAM

5. Šikmá zpoždění pro GPS z údajů sítě HIRLAM

1. Určením zenitového zpoždění a aplikací mapovací funkce, vyjadřující závislost zpoždění na elevaci (pojednáno v kap. 4).
2. Implementací "sledovače paprsku" (ray tracer), který pomocí NWP simuluje dráhu signálu družice pro libovolný elevační úhel. Tento přístup je pojednán v této kapitole.

Sledovač paprsku v této kapitole není (kupodivu) podrobněji popsán a uvádí se pouze odkaz na program ROSAP, vytvořený S. Syndergaardem v Institute of Atmospheric Physics - University of Arizona, poněkud modifikovaný pro použití s NWP z DMI-HIRLAM-E; jde v zásadě o přepočet ortometrických výšek (užívaných v HIRLAM) na elipsoidické (s nimiž pracuje ROSAP). Nad horní hranicí HIRLAM se použil globální model.

V další části kapitoly je provedeno srovnání údajů sledovače paprsku a několika mapovacích funkcí, a porovnání šikmých zpoždění. Rozdíly šikmých zpoždění v závislosti na azimutu byly pro elevační úhel 15° několik mm, ale až 1,2 m pro elevaci 5°.

6. Perspektivy

7. Závěry

Pro další práce se předpokládá implementace metody přímo do softwaru pro zpracování GPS měření, testování metody s užitím NWP DMI- -HIRLAP-D o rozlišení 0,05° × 0,05° a ve dnech s vyšší atmosférickou aktivitou, včetně ionosférické. Možnosti sledovače paprsku, které nebyly plně prozkoumány v této práci, by měly též být předmětem dalších experimentů. Také mapovací funkce by mohly být parametrizovány s ohledem na předpovězené podmínky v okolí antény. Je důležité uvážit, že pokud jsou měřená data na stanicích sítě RTK ovlivněna mnohacestným šířením (multipath), přenesou se tyto chyby i do korekcí RTK.

A. Indexy ionosférické aktivity

B. Stanice GPS a kvalita dat

C. Zenitová zpoždění z numerických předpovědí - otázky implementace

Naposledy aktualizováno:25.6.2003