PPP EM TEMPO REAL COM ESTIMATIVA DOS ERROS DOS … · tempo real com taxa de atualização de 10 segundos 17/12/2010 PPP em tempo real com estimativa dos erros dos relógios dos satélites

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

17/12/2010 PPP em tempo real com estimativa dos erros dos relógios dos satélites GNSS

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)



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)



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



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



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


http://www.rtigs.net/

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




http://igs.bkg.bund.de/ntrip/download

http://igs.bkg.bund.de/ntrip/download

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

Modelo apresenta deficiência de rank


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

EMQ 0,875 3,298 73,466



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



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


Obrigado pela atenção!


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