Ugrás a tartalomhoz

Műholdas helymeghatározás 1., A GNSS-ről általában

Dr. Busics György (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

1.4 A nyers mérési adatokról és azok továbbításáról

1.4 A nyers mérési adatokról és azok továbbításáról

A GPS/GNSS mérés eredményeként ún. nyers mérési adatokat kapunk további feldolgozás és/vagy tárolás céljából. A nyers mérési adatok kódtávolságok, fázisértékek és Doppler-számok lehetnek.

A kódmérés a műhold által kibocsátott kód és a vevő által előállított referencia-jel (replika kód) kódelemeinek összehasonlításán alapszik. A kódmérés eredmény a kódtávolság (pszeudotávolság) méterben kifejezve.

A fázismérés a műhold által kibocsátott vivőjel és a vevő által előállított referencia-jel fázisának összehasonlításán (fáziskülönbség mérésen) alapszik. A fázismérés eredménye egy olyan számérték, amelynek egész része az egész periódusok (ciklusok) számát jelenti, tört része pedig a fáziskülönbséget, ciklus-egységben kifejezve.

A Doppler-mérés az elektromágneses hullám megváltozott frekvenciájának mérésén alapszik, amit a kibocsátó műhold és a vevő egymáshoz viszonyított mozgása okoz. A Doppler-mérés eredménye egy meghatározott időtartam alatt mért ún. Doppler-szám, amely kellően rövid időtartam esetén a frekvencia-változással egyezik meg.

A RINEX (Receiver Independent Exchange Format) formátumot már a GPS-korszak kezdetén kidolgozták abból a célból, hogy az egyes gyártók saját mérési formátumait egységesíteni lehessen és a feldolgozáshoz egy műszertől, gyártótól független mérési állomány álljon rendelkezésre. A RINEX egy egyszerű szövegfájl, tehát bármely szövegszerkesztővel olvasható. Két részből áll: a fejlécből és a nyers mérési adatokat tartalmazó listából. A fejléc minden sora (rekordja) 80 karakter hosszúságú, amelynek utolsó 20 karaktere megjegyzésként írja le a rekord tartalmát. Az egyes adatok helye szigorúan kötött. A mérési lista egy-egy rekordcsoportja „alcímmel” kezdődik, ebben a kezdőrekordban adják meg a mérési időpontot és a mért holdak PRN számát, ezután következnek a nyers mérési adatok a kezdőrekordban megadott sorrendben, és a fejlécben megadott típusonként. A fájl neve még a DOS-os operációs rendszerhez igazodóan 8 karakterből áll, kiterjesztése 3 karakter. A fájlnév felépítése: ssssdddp.yyt, ahol:

  • ssss: név (pontazonosító, station)

  • ddd: az év napjának sorszáma (day)

  • p: mérési periódus

  • yy: az évszám utolsó két karaktere

  • p: fájl típus (amely a következő lehet: o (observation)-GPS mérési fájl; n (navigation)-navigációs adatok (pl. fedélzeti pályaadatok, ionoszféra paraméterek); m (meteorological)-meteorológiai adatok; g GLONASSZ mérési fájl.

A RINEX fájlra eddig a következő szabványok vonatkoznak:

  • RINEX Version 1 (1989-2002)

  • RINEX Version 2.10 – 2.20 (2002-2006)

  • RINEX Version 3.00 (2006. októbertől)

A SINEX (Software Independent Exchange Format) formátumot a feldolgozás eredményének egységes, szoftvertől független igénye hozta létre. Ez az adatcsere formátum elsősorban az aktív hálózatok ún. napi és heti megoldásait előállító adatfeldolgozó (ún. analízis-) központokban használatos. A RINEX és a SINEX részletes leírása megtalálható az Interneten.

Az RTCM eredetileg egy amerikai bizottság (Radio Technical Commission for Maritime Services) neve, amely tengerészeti rádiónavigációs szolgáltatások szabványosítására állítottak fel, de később a DGPS technika korrekciós jeleinek az egységesítését is felvállalta. A DGPS-hez hasonlóan szükség volt az RTK adatok egységesítésére, majd a hálózatos RTK szabványosítására is. Így az ún. RTCM szabványok lényegében a GNSS technológiák fejlődését is követték, segítették és az összes valós idejű technológia megújításában fontos szerepet játszanak ma is. Az RTK-adatok továbbításában megmaradtak az egyes gyártók eredeti bináris adatformátumai is, így például a Trimble cég saját formátuma (CMR: Compact Measurement Record).

Az RTCM szabványokat az SC-104 jelű bizottság adja ki (RTCM Special Committee 104). A bizottság először 1985-ben adott ki ajánlást a DGPS korrekciós adatok formátumáról. Az egyes (RTCM n.xx jelzésű) verziók tartalmilag a következő fejlődésen mentek át, a bővítéseket megnevezve:

  • 2.0 verzió: csak a kódmérések korrekcióit tartalmazta

  • 2.1: GPS kód-és fázismérések nyers értékei és korrekciói

  • 2.2: GPS és GLONASSZ kód- és fázismérések valamint korrekciók

  • 2.3: további kiegészítő adatok (pl. antenna-típus, fáziscentrum)

  • 3.0: hálózatos RTK (Network RTK) adatok

  • 3.1: transzformációk

A 2.3 verziójú szabvány, amely DGPS és RTK adatok továbbítására vonatkozik és egy mellékletet is tartalmaz, teljes neve ez: RTCM 10402.3 RTCM Recommended Standards for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service, Version 2.3 with Amendment 1 (May 21, 2010).

A szabványok rövid leírása nyilvános, de a teljes szöveg csak díjfizetés ellenében tölthető le (www.rtcm.org).

1-4. ábra. Az RTCM 2.xx szabvány üzeneteinek tartalmi elemei

1-5. ábra. Az RTCM 3.xx szabvány üzeneteinek tartalmi elemei

Az NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) rövidítést a hálózatos RTK és az Internet összekapcsolása hozta létre, mivel az Internet bizonyult a központból sugárzott RTK-adatok leghatékonyabb, legrugalmasabb adattovábbítási csatornájának. Az első ajánlást (NTRIP, Version 1.0) a német geodéziai szolgálat (BKG) munkatársai dolgozták ki 2004 szeptemberében. 2009 júniusában az RTCM SC-104 bizottság a módosított (NTRIP, Version 2.0) verziót elfogadta RTCM-szabványnak és a további változatokat is az RTCM fogja kiadni.

Az NTRIP az RTCM formátumú adatok Internetes továbbításának szabványa, Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.1. típusú protokollja. A mobil Internetes kapcsolat formája lehet GSM, GPRS, EDGE, vagy UMTS. A felhasználó számítógépe lehet asztali, laptop vagy marokgép (PDA).

Az NTRIP szoftvernek három típusa van: NtripClient, NtripServer, NtripCaster. Az NtripCaster a küldő oldalon futó HTTP szerver-program. A fogadó oldalon az NtripClient és az NtripServer HTTP kliens programokat használják.

A következőkben egy mintafeladat bemutatásával ismerkedünk meg a RINEX fájl szerkezetével, a nyers mérési adatok természetével, elemzésével. Legyen a feladat a következő. Válasszuk ki egy, a székesfehérvári referenciaállomáson rögzített RINEX formátumú mérési fájlból, egy kerek 15 perces (t1 jelű) időpontra, és a rákövetkező (t2 jelű) időpontra vonatkozó mérési adatokat! Töltsünk le Interneten keresztül a mérés napjára érvényes precíz pályaadatokat! Válaszoljunk a következő kérdésekre, célszerűen Excel táblázatos formában:

  1. Hány GPS műholdat „észlelt” a vevő a választott (t1) időpontban?

  2. Hány Glonass műholdat észlelt a vevő a választott (t1) időpontban?

  3. Mennyi volt a műhold-vevő távolság méterben az észlelt holdakra, a C/A és a P kódmérésből, a választott (t1) és a következő (t2) epochában? Mennyi volt a kódtávolság változása a két időpont között az észlelt holdak esetében? (Ezt és a többi kérdést csak a GPS-holdakra értelmezve válaszoljuk meg).

  4. Mennyi volt a fázistávolság változása a két időpont között az észlelt holdak esetében az L1 és az L2 fázismérésnél?

  5. Mennyi a t1 időpontban a precíz pályaadatokból és az álláspont ismert koordinátáiból számítható valódi távolság a vevőantenna és a műholdak között? Mekkora a különbség a számított távolság és a mért kódtávolság között?

A székesfehérvári referenciaállomás (SZFV) 2011. január 4-én GPS-időben pontosan 7 órakor mért adatait választottuk t1 időpontnak, a 15 másodperccel később rögzítetteket t2 időpontnak. A válaszokat Jámbor Tamás levelezős hallgatónk megoldása alapján ismertetjük.

1-6. ábra. A választott RINEX fájl fejléce

A RINEX fájl fejlécében számunkra fontos (kimásolandó) adatok a referenciapont koordinátái (APPROX POSITION XYZ), azonban a névvel ellentétben, ezek most hibátlan koordinátának tekinthetők. A székesfehérvári referenciaállomás koordinátái így: X = 4119980.678 Y=1372039.031 Z=4656178.897

További fontos sor a fejlécben a mérések típusát írja le (# / TYPES OF OBSERV), ebben az első szám a mérési adatsorok eredmény-mezőinek számát adja meg. Esetünkben ez a sor: 8 C1 L1 D1 P2 L2 D2 S1 S2 ami azt jelenti, hogy 8 oszlopban lesznek mérési adatok minden egyes rögzített időpontra a következő sorrendben:

  • C1: kódtávolság az L1 frekvencián, C/A kód alapján mérve, méterben

  • L1: fázisérték az L1 vivőhullámon mérve, ciklus-egységben

  • D1: Doppler-szám az L1 frekvencián mérve

  • P2: kódtávolság az L2 frekvencián P kód alapján mérve, méterben

  • L2: fázisérték az L2 vivőhullámon mérve, ciklus-egységben

  • D1: Doppler-szám az L2 frekvencián mérve

  • S1: jel/zaj viszony (Signal/Noise) az L1 frekvencián

  • S2: jel/zaj viszony az L2 frekvencián

1-7. ábra. A RINEX fájl mérési adatai a t1 időpontban

Most a t1 időpontú mérési adatokat nézzük meg a RINEX fájlban. Az időpont sorában látható, hogy összesen 17 darab műholdat észlelt a vevő. A G jelűek a GPS holdak (G30G21G29G16G31G25G 6G 5G18), ezekből 9 van. Az R (Russian) jelűek a GLONASSZ holdak (R21R20R11R 5R12R10R22R 6), ezekből 8 van. Ezzel válaszoltunk az első két kérdésre.

A számunkra fontos mérési eredményeket kimásolhatjuk egy táblázatba mindkét időpontra vonatkozóan.

1-8. ábra. Nyers mérési adatok a t1 időpontban. (kódtávolságok, fázisértékek és Doppler-értékek a kétfrekvenciás mérésből)

1-9. ábra. Nyers mérési adatok a t2 időpontban. (kódtávolságok, fázisértékek és Doppler-értékek a kétfrekvenciás mérésből)

A kódtávolságok változását firtató kérdésre egyszerűen válaszolhatunk, ha a megfelelő sorokban lévő értékeket kivonjuk egymásból. A fázistávolságok változását azonban csak akkor tudjuk bemutatni, ha a ciklusegységben adott fázismérési eredményt az L1 frekvencián 0.1903 méterrel, az L2 frekvencián 0.2442 méterrel kell megszorozzuk majd ezt követően végezzük el a kivonást.

1 10. ábra. A kódtávolságok változása a t1 és t2 időpont között

1-11. ábra. A fázistávolságok változása a t1 és t2 időpont között

Azt látjuk, hogy az egymásnak megfelelő távolság-változások hasonló értékek. A kétféle kódmérésből kapott változások általában 1 deciméterre térnek el egymástól, míg a fázismérésből kapottak 3-5 deciméterre.

A következő kérdés megválaszolásához előbb a precíz pályaadat fájlt kell tanulmányoznunk. Itt a t1 időpontban növekvő sorrendben a GPS-holdak geocentrikus koordinátáit (X, Y, Z) találjuk, km egységben; majd az utolsó oszlopban a műhold órahibát mikroszekundum egységben. Innen kell kiválasztani a mérés sorrendjében a nekünk szükséges adatokat.

1-12. ábra. A precíz pályaadatok a t1 időpontban (csak az első 8, aláhúzva a nekünk szükségesek)

A térbeli távolságokat térbeli Pitagorasz tétellel számíthatjuk, ahol az alsó index az i-dik műhold koordinátáit jelöli, az index nélküli koordináták az SZFV állomás ismert értékei:

1-1. egyenlet

Az összehasonlításhoz mért távolságokat a műhold δ órahibájával még javítani kell. Ehhez a fénysebesség c=299 792 458 méter/sec ismert értékét használjuk és a mikroszekundum átváltását szekundumra (1 µsec=10-6 sec). A mért távolságok javított értéke:

1-2. egyenlet

1-13. ábra. A műhold-vevő távolságok koordinátákból számított és a mért értékének különbségei (kódtávolság korrekciók)

A számított és a mért távolságok különbséget mind a C/A, mind a P kódból megkaptuk, ezek egymáshoz hasonló, több tízméteres nagyságrendű értékek, amelyek elsősorban az ionoszférikus hatásból, de minden további GNSS hibaforrásból adódnak. A kód-korrekciók továbbításán alapul a DGPS módszer.