Oblasti využití přesných zpracování GNSS měření

Ing. Michal Kačmařík, Ph.D.Pokročilé metody zpracování GNSS měření

přednáška 10.

Základní skupiny aplikací

Studium životního prostředí Země

Studium atmosféry

Mapování zemského povrchu pozemními a

distančními metodami

Přesné určování času

Navigace v letecké, námořní, pozemní dopravě

Studium Země

Monitorování změn rychlosti a orientace osy rotace

Země, pohybů zemských pólů

Studium pohybu kontinentálních desek

Systémy včasného varování před zemětřeseními a

tsunami

Monitorování vulkanické činnosti a sesuvů půdy

Monitorování pohybu arktického ledu (drift)

Měření výšky sněhové pokrývky, hladiny vodních

ploch

Systémy včasného varování před

zemětřeseními a tsunami

Národní síť GeoNet v Japonsku

v roce 2018 okolo 1 300 referenčních přijímačů

umístěných na území Japonska (průměrná vzdálenosti

mezi 2 přijímači 20 km, rozloha Japonska = 378 tis. km2)

síť slouží primárně k monitorování seismické aktivity,

posunů tektonických desek a pro geodetické aplikace

data ze stanic jsou zpracovávána v (blízkém) reálném

čase v komerčním softwaru RTNet s využitím techniky

PPP

při využití observací s 1s intervalem je možno v reálném

čase detekovat změny souřadnic o velikosti 1 cm v

horizontálním a 2.5 cm ve vertikálním směru, což

umožňuje okamžitou detekci seismické aktivity

Systémy včasného varování před

zemětřeseními a tsunami

Systém včasného varování před tsunami v Indonésii

od roku 2008 zahrnuje systém monitorování změn

souřadnic referenčních GNSS stanic v oblasti v blízkém

reálném čase

postavený na softwaru EPOS vyvinutém v GFZ v

Německu využívajícím techniku PPP

data jsou dodávána a zpracovávaná v (blízkém) reálném

čase, do několika málo minut jsou získávány vektory

změn souřadnic stanic s přesností několika cm

referenční stanice na zemském povrchu mohou být

doplněny GNSS přijímači umístěnými na bójích přímo v

oceánu a jejich měření využity stejným způsobem

Systémy včasného varování před

zemětřeseními a tsunami

Systémy včasného varování před

zemětřeseními a tsunami

Systém včasného varování před tsunami v Ománu

mimo jiné se sestává ze sítě 10 referenčních stanic

GNSS

řešení postavené na Bernese GPS SW, síťové

zpracování dat s využitím DD a řešení ambiguit –

souřadnice stanic jsou určovány v kinematickém módu,

řešení je rozšířeno o několik opěrných stabilních stanic

na území Evropy

data jsou dodávána a zpracovávaná v (blízkém) reálném

čase, do 2 minut jsou získávány vektory změn souřadnic

stanic s přesností několika cm

Monitorování vulkanické činnosti a

sesuvů půdy

Pro mapování topografie vulkánů jsou používány i sítě GNSS

přijímačů

tato měření napomáhají při monitorování pohybu magmatu a

roztavených hornin v sopce či pod ní

na území Evropy jsou tyto sítě využívány na Islandu a u sopky

Etna na Sicílii

-------------------------------------------------------------------------------------------

sesuvy či poklesy půdy mají charakter náhlého rázu, ale také

dlouhodobého procesu

přesné GNSS přijímače umístěné v rizikových lokalitách umožňují

nejen přesně sledovat vývoj pozvolných změn terénu, ale také

studovat tento proces a jeho důvody

existující sítě GNSS přijímačů nalezneme v Evropě v oblasti

Dolomit v Itálii či ve východních Pyrenejích ve Španělsku

možnost monitorování poklesů půdy na Ostravsku vlivem důlní

činnosti

Monitorování vulkanické činnosti a

sesuvů půdy

Monitorování pohybu arktického

ledu (drift)

Projekt SATICE (Arctic Ocean sea ice and ocean

circulation using Satellite Methods)

využití bójí vybavených meteorologickými čidly a GNSS

přijímačem

data z bójí jsou s využitím družice vysílána do

analytického centra a zpracovávána

změny polohy bójí v čase jsou způsobeny driftem ledů,

ale také jinými vlivy (deformace a změny tloušťky

ledovců, dynamika oceánů)

-------------------------------------------------------------------------------

v letních měsících 2006-2010 bylo rozmísťováno okolo

100 GNSS přijímačů v jihozápadní části Grónska pro

studium změn ledovců (rychlost pohybu přibližně 10 – 30

m/den)

GNSS reflektometrie

GNSS-R

technika Dálkového průzkumu Země

signály z GNSS družic jsou přijímány přijímači

umístěnými na družicích s nízkými orbitálními drahami

ve dvojí podobě:

Přímý signál z GNSS družice

Odražený signál od zemského povrchu (hladina oceánu a

moří, sníh, led, pevnina)

analýzou signálů je možno sledovat změny výšky

povrchu a vybrané charakteristiky (např. rychlost a

směr větru)

využití v meteorologii a klimatologii, predikci tsunami,

atd.

GNSS reflektometrie

Měření výšky sněhové pokrývky

svým způsobem pozemní využití GNSS-R

multipath představuje v drtivé případě aplikací GNSS

negativní vliv

za splnění specifických podmínek je však možné jej

využít pro určování výšky sněhové pokrývky či změny

výšky antény nad povrchem obecně

podmínkou je umístění GNSS přijímače do rovinatého

prostředí do určité výšky nad okolní krajinu

souvislá sněhová pokrývka se stává zdrojem multipath

a detailní analýzou signálu vybrané družice na základě

poměru síly signálu k šumu a elevačního úhlu

observací jsme schopni určovat výšku antény

přijímače nad rovinným povrchem

Měření výšky sněhové pokrývky

Měření výšky hladin vodních ploch

stejným způsobem jako v případě určování výšky

sněhové pokrývky lze určovat aktuální výšku hladiny

rozsáhlých vodních ploch

tato měření nabývají na důležitosti vzhledem ke

globálnímu oteplování, jež způsobuje nárůst hladiny

oceánů a moří

jsou však využitelné také v oblastech, kde dochází k

výrazným periodickým změnám výšky hladiny

lokálních vodních ploch (tání sněhu, období dešťů,

apod.) a následným povodním

aktuální výzkum potvrdil možnost využití GNSS i při

monitorování růstu vegetace (výška vegetace) a

hodnocení stavu nasycení povrchové vrstvy půdy

vlhkostí

Studium atmosféry

Využití parametrů troposféry pro zpřesňování

předpovědí počasí

Využití parametrů troposféry pro studium klimatu

Studium ionosféry, jejích procesů a dynamiky

Využití parametrů troposféry pro

zpřesňování předpovědí počasí

V rámci evropské iniciativy E-GVAP jsou hodnoty ZTD

asimilovány do numerických předpovědních modelů

počasí v těchto zemích:

Velká Británie

Francie

Německo

Nizozemí

Dánsko

pozitivní vliv na predikci srážkové činnosti, zejména v

krátkodobém horizontu (0-12 hodin)

aktuální síť zahrnuje cca 2 000 referenčních GNSS

stanic

zpracování v blízkém reálném čase v několika

analytických centrech s využitím PPP či síť. řešení

Využití parametrů troposféry pro

zpřesňování předpovědí počasí

Ukázka výsledku asimilace ZTD produktů z GPS měření do NWP aLMo pro území Švýcarska, předpověď srážek pro 20. června 2002 UTC 00 +6 hodin (Guerova, 2003)

Využití parametrů troposféry pro

studium klimatu Země

Globální síť referenčních stanic dokáže poskytovat

dlouhodobé informace o aktuálním stavu obsahu

vodních par v atmosféře s vysokým prostorovým a

časovým rozlišením

stává se tím jedinečným zdrojem dat o cyklu a vývoji

vodních par v troposféře

kampaň pro opětovné zpracování GPS měření s

využitím současných technik a znalostí konané pod

záštitou IGS umožňuje získat hodnoty ZTD pro

globální síť stanic již pro data od roku 1994

takováto datová sada pokrývající časově dlouhé

období (typicky 30 let) je potřebná pro hodnověrné

studium vývoje a změn klimatu

Studium ionosféry, jejích procesů a

dynamiky

Aktivita ionosféry a procesy v ní ovlivňují:

hw zařízení na družicích

rádiovou komunikace na zemském povrchu (zejména na

dlouhé vzdálenosti)

elektrické sítě na zemském povrchu

šíření signálu GNSS

GNSS představuje jeden z nástrojů pro studium a

monitorování aktivity ionosféry a dynamických změn v

ní (solární bouře) s vysokým časovým i prostorovým

rozlišením

aktuální výzkum předkládá hypotézu výskytu prudkých

změn v celkovém počtu elektronů v ionosféře před

velkými zemětřeseními

Mapování zemského povrchu

Budování a provoz sítí referenčních stanic GNSS

Měření objektů na zemském povrchu

Využití GNSS při snímání zemského povrchu

distančními metodami

Budování a provoz sítí referenčních

stanic GNSS

Aktuálně existují celosvětově stovky sítí referenčních

stanic pro komerční či výzkumné účely

při správě sítí je potřeba:

v pravidelných intervalech určovat přesné souřadnice

referenčních stanic a jejich velocity

monitorovat kvalitu observací jednotlivých stanic

obvykle provozovat NTRIP server či jiné řešení pro distribuci

surových dat/korekcí uživatelům v reálném čase

první dva procesy je možno provádět pouze s využitím

pokročilých technik zpracování dat, první vyžaduje

síťové řešení

Využití GNSS při snímání zemského

povrchu distančními metodami

Využití přesných GNSS měření pro:

(automatickou) navigaci nosiče po letové trase

určení prvků vnější orientace (leteckého) snímku pro jeho

georeferencování

eliminována potřeba vlícovacích bodů vyznačených v

terénu

doposud typické využití diferenčních měření (často

RTK či PPK – Post Processed Kinematic),

problematické v oblastech bez referenčních stanic

aktuálně již možnost PPP!

aktuální vývoj také v oblasti bezpilotních nosičů (UAV

– Unmaned Air Vehicle)

obvyklá je kombinace GNSS s inerciálními systémy

Námořní aplikace

Využití technologie GNSS pro:

navigace plavidel

v kombinaci s dalšími zařízeními pro mapování dna oceánů,

moří, detekci pohybu kontinentálních desek

měření výšky vln a slapů, detekce vlny tsunami

značný nárůst využívání techniky PPP

zcela se tím eliminuje hlavní typický problém = velká

vzdálenost k referenčním stanicím

PPP řešení provádí obvykle počítač, který je součástí

řídících systémů plavidla

u kinematických řešení je bez problémů dosahována

požadovaná přesnost (cm, první dm)

Námořní aplikace

PPP představuje výhodu oproti DD řešení také pro

post-processing měření provedených v širých

oceánech, kdy je délka základen mezi místem měření

a nejbližší referenční stanicí i několik tisíc km, což dělá

problematickým řešení ambiguit

nárůst využívání PPP řešení je patrný i v aplikacích v

pozemní a letecké dopravě

Přesné určování času

Přesnost určení času s využitím signálu z družic GPS

= 1 ns

existuje řada aplikací využívající GNSS pro určení

času

příklady:

telekomunikace = sítě pevných linek i mobilních operátorů

informatika = NTP protokol (Network Time Protocol),

streamování obrazu, zvuku, apod.

přenos elektrické energie = elektrická síť tvoří globální celek,

musí docházet k synchronizaci toků elektrické energie (výkyvy

mohou vést k poškození nosičů)

bankovnictví = na globálním trhu jsou prováděny transakce

vyžadující přesnou časovou referenci pro zajištění korektnosti

transakce (změny kurzu měn, akcií apod.)

Zdroje

Alkan, R. M. a Öcalan, T. Usability of the GPS Precise Point Positioning Technique

in Marine Applications, The Journal of Navigation, Vol. 66, pp. 579-588, 2013

Dach, R. et al. Bernese GPS Software, Version 5.0, Astronomický institut univerzity

v Bernu, Švýcarsko, 2007

Elgered, G. et al., GNSS for Global Environmental Earth Observation, brožura

projektu Gfg2, 7. rámcový program EU, Švédsko, 2013, dostupné zde

Hefty, J. a Gerhartová, L. Using GPS multipath for snow depth sensing – first experience with data from permanent stations in Slovakia, Acta Geodynamica et Geomaterialia, Vol. 11, No. 1, pp. 53 – 63, 2014

Geng, J. et al., Kinematic precise point positioning at remote marine platforms, GPS Solutions, Vol. 14, pp. 343-350, 2010

Yuan, X. et al., The application of GPS precise point positioning technology in aerialtriangulation, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 64, 541-550, 2009

http://www.gps-solutions.com/brochures/GPSS_Brochure_Defmon_Nov_2011.pdf

http://geospatialworld.net/Paper/Application/ArticleView.aspx?aid=30399