PPP EM TEMPO REAL COM ESTIMATIVA DOS ERROS DOS RELÓGIOS DOS SATÉLITES GNSS

Transcrição

1 IX Seminário Anual do GEGE PPP EM TEMPO REAL COM ESTIMATIVA DOS ERROS DOS RELÓGIOS DOS SATÉLITES GNSS Doutorando: Orientador: Co-Orientadores: Haroldo Antonio Marques PPGCC/UNESP Dr. João Francisco Galera Monico Cartografia, FCT/UNESP Dr. Milton Hirokazu Shimabukuro Computação, FCT/UNESP Dr. Márcio H. O. Aquino University of Nottingham

2 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

3 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

4 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)

5 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)

6 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

7 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 Broadcast Ultra-Rapid (predicted half) Ultra-Rapid (predicted half) Ultra-Rapid (observed half) Ultra-Rapid (observed half) Rapid Rapid Final Accuracy Latency Updates Sample Interval orbits ~100 cm real time -- daily Sat. clocks ~5 ns RMS ~2.5 ns SDev orbits ~5 cm real time at 03, 09, 15, min Sat. clocks ~3 ns RMS UTC ~1.5 ns SDev orbits ~3 cm 3-9 hours at 03, 09, 15, min Sat. & Stn. clocks ~150 ps RMS ~50 ps SDev UTC orbits ~2.5 cm hours at 17 UTC daily 15 min Sat. & Stn. ~75 ps RMS 5 min clocks ~25 ps SDev Final orbits ~2.5 cm days every Thursday 15 min Sat. & Stn. 5 min / 30 sec clocks Dados em intervalos de 15 minutos - Erros de interpolação Comportamento estocástico dos relógios Difícil modelagem na predição

8 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 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 offline ESA/ESOC, NRCAN, DLR/GSOC, BKG e outros institutos Futuramente esses produtos serão disponibilizados em tempo real com taxa de atualização de 10 segundos

9 Estações Transmitindo Dados em Tempo Real

10 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.

11 Ferramentas a Serem Utilizadas Comunicação em Rede RTKLib Código fonte disponível em: RTCM3ToRINEX e BNC (BKG NTRIP Client) Código fonte disponível em: Adaptação com auxilio de pesquisadores da Ciência da Computação (FCT/UNESP) Prof. Dr. Milton Hirokazu Shimabukuro Graduando Rogério Takeshi Oyama

12 Análise da Órbita Tempo Real 10/02/2008 Transmitidas dts - Transmitidas IGU dts - IGU

13 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

14 Dupla Diferença no Tempo do Erro do Relógio Observações de fase Simples diferença

15 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

16 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

17 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

18 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

19 Modelos Implementados no Software FCT/RT_PPP Efeito Estratégia Combinação Ion-free Ionosfera 1 a ordem Estimativa da ionosfera como processo estocástico Somente modelo de Hopfield + GPT Troposfera 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 Efemérides Precisas Erro do relógio do satélite Differential Code Bias (DCB) Ambiguidades Phase windup Variação do centro de fase absoluta IGU Predita Em desenvolvimento Valores estimados pelo CODE Solução Float Aplicado

20 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

21 Resultados PPP estático com o software RT_PPP

22 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

23 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

24 Diferenças entre dts estimado e dts final IGS dts estimado a cada 30 s e comparados com o dts final IGS

25 Erro Médio Quadrático Diário EMQ para todos os satélites durante o dia: dts Estimado dts - IGU Melhoria % EMQ 1,37 6,85 80,06

26 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)

27 PPP Cinemático PPTE 2008 PPP Cinemático - Simulando tempo real

28 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

29 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

30 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

31 Obrigado pela atenção!