Ugrás a tartalomhoz

Geodéziai hálózatok 5., GNSS hálózatok, GNSS technológiával végzett alappontsűrítés

Dr. Busics György (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

5.2 GNSS hálózatok

5.2 GNSS hálózatok

5.2.1 Az IGS világhálózat

A geodéták régi álma valósult meg a műholdas helymeghatározáson alapuló világhálózat létrehozásával. A műholdak pályaadatainak pontosabb, és a rendszerfenntartótól független meghatározása iránti igény több pályakövető hálózat létrehozását eredményezte, ilyen volt például az amerikai geodéziai szolgálat CIGNET nevű hálózata is. Lényeges fordulatot jelentett az 1993-as év, amikor megalakult a Nemzetközi GPS Szolgálat (IGS – International GPS Service for Geodynamics). Az IGS állomáshálózatát obszervatóriumi körülmények között folyamatosan üzemelő ún. permanens állomások alkotják, amelyeknek szigorú követelményeknek kell megfelelniük. Az IGS tekinthető az első olyan polgári kiegészítő rendszernek, amelyet világméretekben hoztak létre a katonai GPS követőállomásoktól függetlenül. Az IGS 1993-as létrehozásában kiemelkedő kezdeményező szerepe volt a magyar származású Ivan I. Mueller (Müller Iván) professzornak. Az IGS hivatalos működését 1994. január 1-jén kezdte meg, szolgáltatásai azóta egyre kiterjedtebbek. A feladatkör bővülésére utal az IGS betűszó jelentésének változása is. A kezdeti név Nemzetközi GPS Geodinamikai Szolgálat volt (International GPS Service for Geodinamics), 1999-ben az IGS jelentése Nemzetközi GPS Szolgálat-ra változott (International GPS Service), 2005. március 14-e óta pedig Nemzetközi GNSS Szolgálat (International Global Navigational Satellite System [GNSSS] Service) az IGS rövidítés új megfelelője.

A Nemzetközi GNSS Szolgálat kinyilvánított célja (küldetése) olyan minőségi, mintegy szabványként használható GNSS adatok és termékek biztosítása, amelyek a földtudományi kutatást, a több tudományterületre kiterjedő alkalmazást és az oktatást támogatják.

5-1. ábra. Az IGS világméretű állomáshálózata és az egyórás adatszolgáltatásban résztvevő európai állomásai 2010 januárjában

Az IGS permanens állomáshálózata az egész földkerekséget lefedi és több mint 350 állomásból áll, közülük mintegy 50 az ún. alapállomás (core). Az IGS állomásoknak szigorú feltételeknek kell megfelelni a pont stabilitása, a vevő kalibrálása, az adatok teljessége és ellenőrzése, az adatszolgáltatás biztonsága tekintetében. A mérési adatokat három globális és három regionális adatközpont gyűjti és archiválja, az adatokat hét analízis központ, továbbá számos társult és regionális alközpont dolgozza fel. A központi iroda (amely Pasadena-ban, a NASA intézményeként működik) koordinál valamennyi tevékenységet és közzéteszi az IGS adatokat, mégpedig szabadon hozzáférhetően, ingyenesen. Az Interneten elérhető IGS Információs rendszer (IGS Information System – CBIS) honlap-címe: http://igscb.jpl.nasa.gov. Az IGS fontosabb szolgáltatásai a következők:

Földforgás paraméterek (Earth Rotation Parameters – ERP). Ezek a pólusmozgás adatai és UT1-UTC időadatok.

Nagypontosságú pálya- és időadatok a GNSS holdakra. Ezek lehetnek a végleges megoldásból, 13 nap késéssel közzétett ún. precíz pályaadatok, vagy egynapos késéssel közzétett gyors, illetve részben előrejelzett ultra-gyors pályaadatok. A pályaadatok olyan koordináta-jegyzékek, amelyek 15 percenként tartalmazzák az összes GNSS hold koordinátáit és óraadatát.

Az IGS állomások időponthoz kötött koordinátái és sebesség-vektorai.

Az ionoszférára és a troposzférára vonatkozó információk.

A követőállomások nyers mérési adatai.

Az IGS adatok egyik közvetlen tudományos célja a földi vonatkoztatási rendszer (ITRS) megvalósítása, az ETRFyy különböző kerethálózatai által.

5.2.2 Európai műholdas hálózatok

A műholdas helymeghatározáson alapuló európai háromdimenziós hálózat (EUREF– European Reference Frame: európai vonatkoztatási keret vagy hálózat) kialakítását 1987-1988 folyamán határozták el. A hálózat alapját meglévő VLBI- és lézeres állomások alkotják. Európa nyugati felében a GPS méréseket 1989-ben végezték el, majd azokat fokozatosan terjesztették ki szinte a teljes kontinensre. 2009-ben csak Oroszország és Fehéroroszország nem része az EUREF-nek, az összes többi európai országban léteznek összehangolt mérési kampányok során létrehozott, egységes térbeli koordinátákkal megadott alappontok. Magyarország 1991-ben, az akkori Csehszlovákiával együtt, az EUREF-East kampányban öt ponttal csatlakozott az EUREF-hez (a csatlakozó méréseket 2002-ben majd 2007-ben újra elvégezték).

5-2. ábra. Az EUREF passzív hálózata 1997-ben

Az 1990-es évektől kiépülő EUREF passzív hálózatnak tekinthető, mert a méréseket csak egy alkalommal (de több napos kampányban) végezték. Az EUREF munkálatokat (mérési kampányokat, feldolgozást, elemzést) a Nemzetközi Geodéziai Szövetség (International Association of Geodesy – IAG) EUREF Albizottsága koordinálja. Az EUREF hálózat célja a következőkben foglalható össze.

Nagypontosságú háromdimenziós európai vonatkoztatási rendszer megvalósítása. A vonatkoztatási rendszer neve ez esetben ETRS89 (ETRS – European Terrestrial Reference System). A vonatkoztatási rendszert a gyakorlatban a hálózat pontjai, illetve koordinátái jelentik. Az egységes vonatkoztatási rendszer teszi lehetővé az egyes országok nemzeti GPS hálózatainak kiépítését, és alapul szolgál számos geodinamikai és légköri vizsgálathoz.

Az EUREF lehetővé teszi transzformációs paraméterek meghatározását az egyes országok nemzeti vonatkoztatási rendszere és az EUREF között, így az egyes országok akár egymás rendszerébe, akár a közös rendszerbe átszámíthatják geodéziai adataikat.

1995-ben, az IGS világhálózat mintájára, elkezdődött az EUREF permanens állomáshálózatának kiépítése (EPN–EUREF Permanent Network). A hálózat-koordinátort (a központi iroda vezetőjét) 1995. októberében jelölték ki. Az EPN gyakorlati irányítását a Belga Királyi Obszervatórium brüsszeli intézményében működő központi iroda (Central Bureau-CB) végzi, amely tevékenységéről honlapján beszámol és az EPN adatait is nyilvánosan közzéteszi (www.epncb.oma.be).

5-3. ábra. Az EPN állomáshálózata 2008-ban

Az EPN permanens állomások (Tracking Stations–TS) száma 1996-ban 30 volt, 2004 januárjában 146, amely szám 2008-ra mintegy 200-ra bővült. A helyi adatközpontok (Local Data Centres–LDC) feladata a hozzájuk tartozó állomások adatainak gyűjtése (ez jelenleg óránkénti adatcsomagokat jelent), vevőtől független formátumba konvertálása és továbbítása egyrészt a bejelentkezett felhasználók felé, másrészt az analízis központok (Local Analysis Centres–LAC) felé. Jelenleg 16 analízis központ működik, amelyekhez ún. alhálózatokat (subnetwork) rendeltek hozzá úgy, hogy minden egyes (TS) állomás adatai legalább három alhálózatban szerepeljenek. Ennek a redundanciának köszönhetően az esetleges durva hibák könnyen kiszűrhetők. A részhálózatban a napi 24 órás mérésből napi koordinátákat számítanak az állomásoknak, majd azokból szabadhálózati kiegyenlítéssel heti megoldást állítanak elő. A helyi analízis központok eredményeiket az EPN kombinációs központba (Combination Centre–CC) továbbítják, ahol azokból az egész EPN hálózatra vonatkozó együttes, hivatalos heti megoldás születik. A levezetett koordináták pontossága vízszintes értelemben 1-3 mm, magassági értelemben 5-6 mm körüli érték. A kombinációs központ a német geodéziai szolgálat, a BKG frankfurti intézményében működik és információs honlapot tart fenn. A kombinációs központ a hivatalos heti megoldást az IGS-nek is továbbítja, ahol azt integrálják a GNSS világhálózatba. 2006 februárjától az EPN állomások koordinátái a következő három formában és kétféle vonatkoztatási rendszerben (ITRS, ETRS89) állnak rendelkezésre.

Heti koordináták, amelyek az EPN kombinációs központ heti megoldásából származnak.

Olyan aktuális, havonta frissített koordináták és sebesség-értékek, amelyek az EPN idősor analízis projekt eredményei. Ezek a koordináták mentesek olyan durva hibáktól, ugrásoktól, amelyeket például helyi mozgások, vagy koordináta-rendszer váltások okoznak.

Olyan koordináták és sebesség-értékek, amelyeket a Nemzetközi Földforgás és Referenciarendszerek Szolgálat (IERS) hivatalosan, világméretekben határoz meg, különböző műholdas technikákkal. Ezek a koordináták az IERS honlapján is elérhetők (www.iers.org).

Az EPN adatok – az IGS adatokhoz és termékekhez hasonlóan – tudományos és gyakorlati célok megvalósítását egyaránt szolgálják. A tudományos célok közé soroljuk az európai térbeli vonatkoztatási rendszer fenntartását és továbbfejlesztését, a gyakorlati célokhoz a mérési adatok és korrekciók szolgáltatását.

5.2.3 A magyarországi GPS/GNSS hálózatok

5-4. ábra. Az OGPSH EUREF-hez csatlakozó pontjai és keretpontjai

Magyarországon – a közép-keleteurópai térségben az elsők között – 1991 novemberében került sor arra a mérési kampányra, amelynek eredményeként létrejött az országos GPS hálózat (OGPSH) 24 pontból álló kerethálózata. Az OGPSH rendűség szempontjából két részre osztható: egy ún. kerethálózatra és magára az országos hálózatra. A kerethálózat első mérésére 1991-ben, közvetlenül az EUREF mérések után került sor (november 5-8). A 24 pont mindegyike EOV koordinátákkal és szintezett magassággal is rendelkezik. A kerethálózat egyes pontjai a magyar mozgásvizsgálati programban is részt vesznek. A keretpontok telepítésénél szempont volt a hálózatszerű, egyenletes eloszlású kialakítás és a létező vízszintes és magassági hálózatokkal való kapcsolat biztosítása. A mozgásvizsgálati pontoknál a jellemző tektonikai egységeken való elhelyezés és a szabatos pontraállás lehetősége volt további kiemelt szempont. Az egyértelmű pontjelölést és állandósítást kilenc mozgásvizsgálati pont esetében a FÖMI-ben kifejlesztett lépcsős pontállandósítás biztosítja.

A kerethálózat mérési kampányában 15 db Trimble SST típusú kétfrekvenciás műszer vett részt, melyek közül 11 német kölcsön-vevő volt. Összesen négy mérési nap volt, egy nap volt szükséges az átállásra. Egy mérési napon két, egyenként 6 órás periódust mértek, helyi idő szerint 8 és 14 illetve 14 és 20 óra között. A meteorológiai adatokat óránként rögzítették. Hat pont (az 5 EUREF pont és a Pilis [Szőlőhegy] nevű pont) a kapcsolópont szerepét töltötte be, ezeken négy napig, vagyis 8 periódusban történt észlelés. Az első ütemben a többi 9 műszer a dunántúli pontokon mért két napon keresztül négy periódust, majd átállás után az alföldi területen levő pontokon ugyancsak négy periódust. A kampányban 26 személy és 16 gépkocsi vett részt, a sikeres lebonyolítás – mint minden GPS mérés – komoly előkészítést és jó szervezést igényelt.

Az egyes vektorok feldolgozása a penci KGO-ban a Trimble műszerekhez tartozó Trimvec szoftverrel és a Berni Műszaki Egyetemen kidolgozott Bernese programcsomaggal történt. Az első kiegyenlítés szabad hálózatként történt, Penc koordinátáinak megkötésével. A dátumpont koordinátáinak régebbi Doppleres mérések m-re kerekített átlagát fogadták el. Az így számított rendszer jelölése: OGPSH-91. A 24 pontos hálózatban a ponthiba 14 mm, a relatív hiba 1:5 000 000, ami egy nagyságrenddel meghaladja a jelenlegi felsőrendű hálózat pontossági mérőszámait.

1994 májusában véglegesítették az öt magyarországi EUREF-pont koordinátáit az ETRS-89 és az ITRF-91 rendszerben. Ezt az öt pontot adottnak tekintve készült el a hálózat kiegyenlítése kötött hálózatként (OGPSH-94).

Az országos GPS hálózat továbbépítése a pénzügyi lehetőségek megszabta három ütemben folytatódott. 1995-ben a tiszántúli, 1996-ban a Duna-Tisza-közi, 1997-ben a dunántúli részen készült el a sűrített hálózat. Összesen 9 kétfrekvenciás vevővel gyors statikus méréssel, hálózatszerű elrendezéssel, 3 kapcsolóponttal végezték a mérést. A pontok átlagos távolsága 8-10 km.

5-5. ábra. Az OGPSH 1153 pontja

Egy állásponton egy óra volt a mérési időtartam, de azt kettéosztották egy 40 perces és egy 20 perces periódusra. A két periódus között kötelező volt új pontraállást végezni, több centiméterre különböző antenna-magassággal, ami a független ellenőrzést célozta. Normális esetben a 20 perc elegendő volt a 15-20 km-es vektorok meghatározásához, a hosszabb mérési periódusból pedig a hosszabb vektorokat lehetett számítani. A terepi előfeldolgozás egynapos késéssel követte a mérést, ennek során a hibás vektorok kiszűrése volt a fő feladat. Hibásnak tekintették a vektort, ha középhibája a 15 mm-t meghaladta, ez a hosszú vektoroknál fordult elő.

Külön egyenlítették ki a dunántúli és a Dunától keltre eső hálózatrészt, majd egy összekapcsoló (varrat) hálózat kialakításával a két részt egyesítették. A vektorok relatív hibája 1/5000000, ami 0,2 mm/km értéket jelent. Az OGPSH kialakítását a FÖMI KGO felügyelte, a koncepció kidolgozása és a munka irányítása Borza Tibor nevéhez kötődik.

Az OGPSH-nak 1153 pontja van, mindegyik pontnak megadták az térbeli derékszögű és a földrajzi ellipszoidi koordinátáit az ETRS89 vonatkoztatási rendszer. Az OGPSH pontleírás tartalmazza a pont EOV koordinátáit is, mivel majd mindegyik pont eredetileg is EOVA pont vagy utólag lett az EOV koordinátája meghatározva. Az EOV koordináták mellett a pont GPS mérésből transzformált Balti magasságát is megadják. Azért nem az eredeti magasságot, mert az legtöbbször trigonometriai meghatározásból származik, ami nagyságrenddel pontatlanabb, mint a GPS meghatározás.

A magyarországi aktív GNSS hálózat neve jelenleg a honlapjának címével azonos: gnssnet.hu. Ezt ismertetjük vázlatosan a következőkben, hiszen valós idejű méréseinknek és az utólagos adatszolgáltatásnak ez jelenti a hátterét. A magyar aktív hálózat a GNSS 4. modul 2. fejezetben definiált fogalmát használva egy földi alapú kiegészítő rendszer, ún. GNSS infrastruktúra-elem. A kiegészítő rendszerekre, szolgáltatásokra azért van szükség, mert nem elégszünk meg az alaprendszer pontosságával, biztonságával, lehetőségeivel. Önerőből is javíthatjuk például a pontosságot (a geodéziában ezért alkalmazunk két vevőt és relatív módszert), de ha ezt mindenki autonóm módon, maga teszi, az összességében gazdaságtalan. Minél több felhasználó veszi igénybe a szolgáltatást, az annál gazdaságosabb és olcsóbb lesz. A GNSS infrastruktúra általánosságban olyan szolgáltatásokat és kiegészítő rendszereket jelent, amelyek a műholdas helymeghatározást pontosabbá, gazdaságosabbá, biztonságosabbá, többcélúvá, sokoldalúan felhasználhatóvá teszik. A GNSS infrastruktúra három szintjét (generációját) különböztetik meg.

5-6. ábra. Az első hazai permanens állomások megvalósulása

Az infrastruktúra első generációját az előzőekben ismertetett passzív GPS hálózat jelenti, Magyarországon ez az OGPSH. Az OGPSH pontjait adott pontként bevonjuk a hálózatba, vagy referenciapontként használjuk azokat, így mindig az „igazi”, az egységes vonatkoztatási rendszerben dolgozunk. Az OGPSH teszi lehetővé az „átjárást” az EOV/EOMA rendszerbe, bárhol meghatározhatók a transzformációs paraméterek, nem magunknak, önerőből kell biztosítani a közös pontokat. Az infrastruktúra második generációjának szokás nevezni a permanens állomások olyan hálózatát, amit elsősorban utólagos adatszolgáltatásra vesznek igénybe. A felhasználónak nem kell referenciavevőt telepítenie (vásárolnia, működtetnie), hanem a legközelebbi permanens állomás adatait használhatja fel az utófeldolgozáshoz. A GNSS infrastruktúra harmadik generációjának azt tekintjük, amikor a permanens állomások hálózatban működnek egy központ felügyelete mellett és valós időben továbbítják mind a kódmérés mind a fázismérés adatait.

A magyar aktív GNSS hálózat kialakításánál, az optimális állomás-távolság meghatározásánál gyakorlati szempontokból indultak ki, amely elemzés eredményeként kezdetben egy 12 állomásból álló hálózatot terveztek létrehozni az állami földügyi szolgálat keretében. A 12 állomás telepítéséhez többnyire földhivatali épületeket választottak ki úgy, hogy átlagosan 50 km-es bázistávolsággal lefedjék az ország egész területét. Az aktív hálózat első állomása a penci Kozmikus Geodéziai Obszervatóriumban létesült 1996-ban, s azóta az EPN részét képezi, nemcsak egyszerű állomásként, hanem analízis központként is. A többi állomás telepítése – finanszírozási nehézségek miatt – viszonylag hosszú időt vett igénybe és közben a koncepció is módosult. 2002-ben 3 (a BME saját állomásával 4) állomás volt része a hálózatnak, míg 2004-ben 6 (7). Az ország teljes lefedettsége az eredeti tervekhez képest lényegesen sűrűbb hálózattal végül is 2009 végén valósult meg. Ekkor (Ukrajna kivételével) az összes szomszédunkkal is folyt adatcsere.

A hazai aktív hálózat alapvetően kétféle szolgáltatást nyújt: nyers mérési adatokat utófeldolgozáshoz és valós idejű (real-time) adatokat. A permanens állomások szoftverei végzik a nyers mérési adatok előzetes ellenőrzését, az utólagos feldolgozáshoz szükséges RINEX-adatok előállítását (régebben ez beállítástól függően 1 órás, 6 órás vagy 24 órás csomagokban történt), és a valós idejű korrekciók továbbítását a penci központba (jelenleg másodpercenként). A régebbi GPS vevők mellett számítógépre telepített referenciaállomás-szoftver fut, a modernebb vevőknél minden funkciót a GPS vevőben található integrált számítógép old meg. A valós idejű adatszolgáltatáshoz a bázisállomások TCP/IP porton keresztül másodpercenként küldik a korrekciókat a központnak.

5-7. ábra. A hazai permanens állomások hálózata 2009 decemberében

A penci központban 2004 tavaszán állították üzembe az első internetes (NTRIP) szervert, amely DGPS és RTK adatok elérését tette lehetővé. 2007 márciusától a német Geo++ cég GNSMART szoftverével állítják elő a valós idejű korrekciókat, illetve mérési adatokat, valamint az utólagos feldolgozásra használható nyers adatokat.