PPP EM TEMPO REAL COM
ESTIMATIVA DOS ERROS DOS
RELÓGIOS DOS SATÉLITES GNSS
Doutorando: Haroldo Antonio Marques – PPGCC/UNESP
Orientador: Dr. João Francisco Galera Monico – Cartografia, FCT/UNESP Co-Orientadores: Dr. Milton Hirokazu Shimabukuro – Computação, FCT/UNESP
Dr. Márcio H. O. Aquino – University of Nottingham
IX Seminário Anual do GEGE
Tópicos
Introdução
Estado da Arte Atual
Análise das Órbitas Preditas
Estimativa dos Relógios dos Satélites em Tempo Real
Softwares em Desenvolvimento
Resultados Iniciais e Análises
Considerações Finais
Introdução
O GNSS é atualmente o sistema mais utilizado para propósitos de navegação e transferência de tempo
Designação original do sistema
Diversas aplicações podem ser realizadas
Determinação de Órbitas LEO (Low Earth Orbit)
Locação de obras
Posicionamento geodésico e topográfico
Integração GNSS/Meteorologia
Suporte para aplicações científicas, entre outras
Introdução
Em termos de posicionamento, destaca-se a técnica de Posicionamento Por Ponto Preciso (PPP) em tempo real (ou próximo do tempo real)
Para alcançar acurácia da ordem de centímetros no PPP em tempo real são necessárias informações:
Órbita dos satélites
Erros (Correções) dos relógios dos satélites (dts)
Estado da Arte Atual
Desde 1996, o Jet Propulsion Laboratory (JPL) começou a disponibilizar uma rede sobre os EUA que transmitia dados em tempo real
Em 2000 essa rede foi expandida para uma rede global e culminou no Sistema GPS Diferencial Global da NASA
(GDGPS) que é hoje uma das maiores redes em tempo real com aproximadamente 100 estações
Atualmente o JPL estima órbitas e erros dos relógios dos satélite em tempo real através do Real Time GIPSY (RTG)
Estado da Arte Atual
O International GNSS Service (IGS) trabalha na obtenção de órbitas e relógios dos satélites em tempo real desde 1999
Em um workshop do IGS decidiu-se reduzir a latência de produção de órbitas e correções dos relógios dos satélites
Surgiu a órbita IGS - ultra rápida
Em 2004 a taxa de atualização passou para 4 vezes ao dia
Têm-se as órbitas
IGS – Órbitas finais – 1 a 2 semanas de latência
IGR – Órbitas rápidas – 1 dia de latência
IGU – Órbitas ultra rápidas – metade observada e metade predita
Estado da Arte Atual
A órbita IGU cobre um período de 48 horas com taxa de atualização de 6 horas e informações em intervalos de 15 minutos
Dados em intervalos de 15 minutos - Erros de interpolação
Comportamento estocástico dos relógios – Difícil modelagem na predição
Accuracy Latency Updates Sample Interval Broadcast
Ultra-Rapid (predicted half)
orbits ~100 cm real time -- daily
Sat. clocks ~5 ns RMS
~2.5 ns SDev Ultra-Rapid
(predicted half) Ultra-Rapid (observed half)
orbits ~5 cm real time at 03, 09, 15, 21 UTC
15 min Sat. clocks ~3 ns RMS
~1.5 ns SDev
Ultra-Rapid (observed half)
Rapid
orbits ~3 cm 3 - 9 hours at 03, 09, 15, 21 UTC
15 min Sat. & Stn.
clocks
~150 ps RMS
~50 ps SDev Rapid
Final
orbits ~2.5 cm 17 - 41 hours at 17 UTC daily 15 min Sat. & Stn.
clocks
~75 ps RMS
~25 ps SDev
5 min
Final orbits ~2.5 cm 12 - 18 days every Thursday 15 min Sat. & Stn.
clocks
5 min / 30 sec
Estado da Arte Atual
Protocolo NTRIP para transmissão de dados no formato RTCM em 2005
Crescente número de estações ao redor do mundo transmitindo dados em tempo real
IGS Real Time Pilot Project (IGS - RTPPP) iniciou em 2007 - http://www.rtigs.net
Tem como objetivo distribuir dados e produtos GNSS em tempo real
Monitorar os produtos em tempo real
Desde Setembro de 2008, órbitas e correções dos relógios dos satélites derivadas de dados em tempo real são
comparadas com produtos IGS rápidos em um processo off- line
ESA/ESOC, NRCAN, DLR/GSOC, BKG e outros institutos
Futuramente esses produtos serão disponibilizados em tempo real com taxa de atualização de 10 segundos
Estações Transmitindo Dados em Tempo Real
Objetivos da Tese de Doutorado
Pesquisar e implementar uma metodologia para estimar as correções dos relógios dos satélites GNSS em tempo real com base em uma rede de estações GNSS visando
aplicações de PPP em tempo real, bem como a
implementação de um aplicativo para realizar o PPP em tempo real.
Ferramentas a Serem Utilizadas
Comunicação em Rede
RTKLib – Código fonte disponível em:
http://gpspp.sakura.ne.jp/rtklib/rtklib.htm
RTCM3ToRINEX e BNC (BKG NTRIP Client) – Código fonte disponível em: http://igs.bkg.bund.de/ntrip/download
Adaptação com auxilio de pesquisadores da Ciência da Computação (FCT/UNESP)
Prof. Dr. Milton Hirokazu Shimabukuro
Graduando Rogério Takeshi Oyama
Análise da Órbita – Tempo Real 10/02/2008
Transmitidas dts - Transmitidas
IGU dts - IGU
Estimativa Dos Erros do Relógios dos Satélites
Propostas estudadas
Apresentada por Han, Kwon e Jekeli (2001) e Weber, Mervat e Dousa (2007)
Os erros dos relógios dos satélites são calculadas ao nível de DD das observáveis entre satélites e entre épocas
Apresentada por Hauschild e Montenbruck (2008)
Filtro de Kalman para estimar os parâmetros do PPP utilizando estações de rede GNSS
Xiaohong Zhang, XingXing Li e Fei Guo (2010)
Integração das duas técnicas (relativo e absoluto)
No primeiro caso – eliminação de vários parâmetros
No segundo caso – estima-se troposfera, erro do relógio do receptor e do satélite e ambiguidades da fase
Dupla Diferença no Tempo do Erro do Relógio
Simples diferença
Observações de fase
Dupla Diferença no Tempo do Erro do Relógio
Dupla diferença
Os erros dos relógios dos satélites ficam vinculadas a uma origem de tempo e à rede de estações GNSS
O software de PPP deve usar o modelo de simples diferença
Erros dos Relógios dos Satélites (PPP em rede)
Observações de
fase e código (ion-free)
Coordenadas dos receptores e satélites conhecidas
Deficiência de Rank
Injunção relativa
Média dos erros dos relógios dos satélites das efemérides IGU e uma determinada precisão adotada
A estimativa do erro do relógio do satélite fica vinculada ao erro médio do relógio do satélite advindo da IGU, que serve como um relógio de referência virtual
Outra possibilidade é injuncionar a correção do relógio do receptor, o qual é vinculado a um relógio atômico
No Brasil, o Observatório Nacional no Rio Janeiro (ONRJ) possui um receptor conectado com relógio atômico
Software - PPP Tempo Real
Software FCT/RT_PPP (FCT/Real Time PPP) em desenvolvimento
Ajustamento recursivo – Filtro de Kalman
Controle de qualidade DIA (Detecção, Identificação e Adaptação)
Diversos modelos matemáticos relacionados ao PPP foram implementados
Modelos Implementados no Software FCT/RT_PPP
Efeito Estratégia
Ionosfera – 1a ordem
Combinação Ion-free
Estimativa da ionosfera como processo estocástico
Troposfera
Somente modelo de Hopfield + GPT VMF1/GMF + ZTD (CPTEC)
VMF1/GMF + ZTD do ECMWF
ZHD fixo + ZWD estimado (random walk) Marés Oceânicas e Terrestres Modelo proposto pelo IERS 2003 (IERS, 2003) PCV receptor e satélite Variação do centro de fase absoluta
Efemérides Precisas IGU Predita
Erro do relógio do satélite Em desenvolvimento
Differential Code Bias (DCB) Valores estimados pelo CODE
Ambiguidades Solução Float
Phase windup Aplicado
FCT/RT_Sat_Clock - 1ª versão
PPP em rede
Todas as correções anteriores aplicadas para cada estação
Código suavizado pela fase – Ion-Free
Troposfera
ZTD (Zenithal Tropospheric Delay) a partir de dados de previsão
meteorológica ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)
VMF - Vienna Mapping Function
Filtro de Kalman
Erro do relógio do receptor (dtr)
White Noise
Erro do relógio do Satélite (dts)
random Walk
Modelo de predição linear
Resultados PPP estático com o software
RT_PPP
Resultados - Estimativa do Erro do Relógio do Satélite - FCT/RT_Sat_Clock
20 Estações IGS utilizadas no dia 10/02/2008
No caso de dts preciso IGS (30s) -> utiliza-se ~120 estações
Simulando tempo real
Diferenças entre dts IGU e dts final IGS
Efemérides IGU – dts dados a cada 15 minutos
dts foi interpolado a cada 30 s e comparado com o dts preciso do IGS
Diferenças entre dts estimado e dts final IGS
dts estimado a cada 30 s e comparados com o dts final IGS
Erro Médio Quadrático Diário
dts Estimado dts - IGU Melhoria %
EMQ 1,37 6,85 80,06
EMQ para todos os satélites durante o dia:
Processamento PPP – FCT/RT_PPP
PPTE – 10/02/2008
Informações:
Precisões : 1; 2; 0,01 e 0,02 m, respectivamente para CA, P2, Fase L1 e Fase L2
Processamento simulando tempo real
Utilizando somente órbita IGU (somente IGU)
Utilizando órbita IGU + dts estimado (IGU + dts)
PPP Cinemático PPTE – 2008
PPP Cinemático - Simulando tempo real
PPP Cinemático PPTE – 2008
PPP Cinemático - Simulando tempo real
Estatísticas para o erro 3D
DTS Estimado Somente IGU Melhoria %
Erro Médio 0,791 2,298 65,597
Desvio Padrão 0,375 2,366 84,138
Considerações Finais
Esse projeto tem por objetivo estudar e desenvolver uma
metodologia para estimar os erros do relógios dos satélites em tempo real, os quais serão utilizados no PPP em tempo real
Dois softwares se encontram em desenvolvimento
Os usuários no Brasil serão beneficiados, uma vez que essa
técnica pode ser útil para diversas aplicações práticas em tempo real
Nas próximas etapas, utilizaremos o NtripClient com código fonte adaptado em forma de biblioteca nos softwares em
desenvolvimento para realizar processamento GNSS em tempo real
Considerações Finais
Os resultados iniciais para a estimativa dos erros dos relógio dos satélites utilizou a PD suavizada pela fase e troposfera corrigida a partir de dados de previsão meteorológica
ECMWF/VMF
◦ O dts estimado apresentou consideráveis melhorias em relação ao dts IGU ~ 80%
Pretende-se testar a utilização da fase com estimativa da troposfera e solução float das ambiguidades
Injuncionar no modelo o erro do relógio do receptor
conectado com um relógio atômico ao invés de valores médios da IGU
