Συγκριτική μελέτη online υπηρεσιών μετεπεξεργασίας δεδομένων gps

Abstract

Το GPS είναι ένα Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης που δημιουργήθηκε από το Υπ. Άμυνας των Η.Π.Α. Βρίσκει πολλές εφαρμογές, όπως η παγκόσμια πλοήγηση, χαρτογραφικές, τοπογραφικές και άλλες επιστημονικές εργασίες, μελέτη σεισμών, συγχρονισμός τηλεπικοινωνιακών δικτύων κ.α. Η αρχή λειτουργίας του είναι παρόμοια με αυτή της κλασικής «γεωδαιτικής οπισθοτομίας», και ο προσδιορισμός θέσης επιτυγχάνεται με επεξεργασία μετρήσεων αποστάσεων από τον δέκτη προς 4 ή περισσότερους δορυφόρους που βρίσκονται σε γνωστές θέσεις. Το GPS διακρίνεται σε τρία λειτουργικά μέρη, το διαστημικό, που περιλαμβάνει τους 32 ενεργούς δορυφόρους, το επίγειο, που αφορά τους σταθμούς ελέγχου, και το τμήμα των χρηστών. Κάθε δορυφόρος εκπέμπει ένα ραδιοσήμα στην περιοχή των μικροκυμάτων αποτελούμενο από φέρουσες συχνότητες διαμορφωμένες από ψηφιακούς κώδικες και ένα μήνυμα πλοήγησης, το οποίο εκπέμπεται κατ’ ελάχιστο σε δύο διακριτούς κώδικες, τον C/A, που είναι ελεύθερα διαθέσιμο στο κοινό, και τον Ρ, που είναι κρυπτογραφημένος (λειτουργία «anti-spoofing»), και η αποκρυπτογράφησή του γίνεται μόνο από τον Αμερικανικό Στρατό και κάποιους ακόμα εξειδικευμένους χρήστες. Συνολικά χρησιμοποιούνται πέντε συχνότητες (L1-L5) και ο λόγος διαθεσιμότητας περισσοτέρων της μίας είναι η διόρθωση της ιονοσφαιρικής καθυστέρησης. Για τον υπολογισμό της θέσης στο GPS χρησιμοποιούνται μετρήσεις κώδικα ή φέρουσας φάσης. Για την εξάλειψη των διαφόρων σφαλμάτων των μετρήσεων στο GPS χρησιμοποιούνται οι γραμμικοί συνδυασμοί των παρατηρήσεων. Υπάρχουν αρκετοί συνδυασμοί, όπως η απλή διαφορά μεταξύ δορυφόρων, η απλή διαφορά μεταξύ δεκτών, η διπλή διαφορά, η τριπλή και ο γραμμικός συνδυασμός απαλλαγμένος από την ιονόσφαιρα (μετρήσεις στις L1 και L2). Τα σφάλματα διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: αυτά που οφείλονται στους δορυφόρους, αυτά που οφείλονται στο δέκτη και αυτά που οφείλονται στη διάδοση των σημάτων. Ο προσδιορισμός της θέσης του χρήστη GPS μπορεί να γίνει είτε με απόλυτο εντοπισμό είτε με σχετικό. Ο σχετικός εντοπισμός διακρίνεται σε πραγματικού χρόνου και μετεπεξεργασία των μετρήσεων. Ανάλογα με τη τεχνική που εφαρμόζεται στην ύπαιθρο διακρίνονται ο στατικός εντοπισμός, ο γρήγορος, ο ψευδοκινηματικός, ο κινηματικός και η χρήση εικονικών σταθμών. Παράλληλα με την ανάπτυξη του GPS ιδρύθηκαν διάφοροι φορείς παροχής δεδομένων και προϊόντων GPS. Ένας από αυτούς είναι η IGS, η οποία συγκεντρώνει και αναλύει δεδομένα GPS από ένα δίκτυο μόνιμων σταθμών παρακολούθησης των συστημάτων GPS και GLONASS. Από την επεξεργασία τους προκύπτουν τα διάφορα προϊόντα που παρέχει δωρεάν στους χρήστες των συστημάτων αυτών και αφορούν τις εφημερίδες και τα χρονόμετρα δορυφόρων και σταθμών, τις παραμέτρους περιστροφής της γης, τις συντεταγμένες των σταθμών του δικτύου καθώς και τις ταχύτητές τους και, τέλος, τις ατμοσφαιρικές παραμέτρους. Στην Ελλάδα, στα πλαίσια του Γ’ ΚΠΣ και για τις ανάγκες του Εθνικού Κτηματολογίου εγκαταστάθηκε και λειτουργεί το HEPOS. Πρόκειται για ένα δίκτυο μόνιμων σταθμών κατανεμημένων σε ολόκληρη τη χώρα, οι οποίοι πραγματοποιούν αδιάκοπες μετρήσεις στο σύστημα GPS. Βασισμένο στην επεξεργασία αυτών των μετρήσεων, το HEPOS εξυπηρετεί εφαρμογές διαφορικού εντοπισμού, ακόμη και σε πραγματικό χρόνο. Παράλληλα με την ανάπτυξη της τεχνολογίας και του GPS, ιδρύθηκαν παγκοσμίως ορισμένες online υπηρεσίες επεξεργασίας μετρήσεων GPS οι οποίες αποστέλλουν τις πληροφορίες θέσης του χρήστη μέσω διαδικτύου. Ο γενικός τρόπος λειτουργίας τους διακρίνεται σε τρία στάδια, την αποστολή από τον χρήστη, μέσω διαδικτύου, των αρχείων παρατηρήσεων, την επεξεργασία τους από τις υπηρεσίας και την αποστολή στον χρήστη των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. Η OPUS είναι μια από αυτές τις υπηρεσίες και παρέχεται από την Εθνική Γεωδαιτική Υπηρεσία των ΗΠΑ. Τα αρχεία που υποβάλλονται πρέπει να είναι διάρκειας 2 ως 24 ωρών και να περιέχουν παρατηρήσεις στις συχνότητες L1 και L2. Τα αποτελέσματα που εκδίδει εκφράζονται σε καρτεσιανές συντεταγμένες στα συστήματα ITRF00 και NAD83. Για τον υπολογισμό τους χρησιμοποιείται το λογισμικό PAGES. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων εκφράζεται μέσα από τα peak-to-peak σφάλματα που συνοδεύουν τις συντεταγμένες. Βελτίωση της ακρίβειας επιτυγχάνεται μέσα από μεγαλύτερη διάρκεια παρατηρήσεις και από διαθεσιμότητα τελικών IGS προϊόντων. Η OPUS_RS παρέχεται από τον ίδιο φορέα και είναι πανομοιότυπη με την προηγούμενη, όσον αφορά την διεπαφή με τον χρήστη. Βασικά σημεία διαφοράς των δύο είναι η διάρκεια των παρατηρήσεων που μπορεί να επεξεργαστεί η RS, η οποία κυμαίνεται μεταξύ 15 λεπτών και 4 ωρών. Και αυτή εφαρμόζει σχετικό εντοπισμό θέσης, με χρήση 9 σταθμών αναφοράς. Το βασικό λογισμικό που χρησιμοποιεί είναι το RSGPS. Οι παρατηρήσεις πρέπει να περιέχουν και τους τέσσερεις τύπους δεδομένων παρατηρήσεων (L1, L2, P1, P2). Μια ακόμη παρόμοια υπηρεσία είναι η SCOUT. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της είναι ότι δέχεται δεδομένα από συγκεκριμένα μοντέλα δεκτών, κάτι που οφείλεται στο λογισμικό επεξεργασίας GAMIT που χρησιμοποιεί. Ως σταθμούς αναφοράς χρησιμοποιεί τους 3 κοντινότερους στον χρήστη. Τα αποτελέσματα εκφράζονται σε καρτεσιανές συντεταγμένες του ITRF05 και αποστέλλονται στο χρήστη στην ηλεκτρονική διεύθυνση που έχει ορίσει. Οι παρατηρήσεις θα πρέπει να είναι διάρκειας μεγαλύτερης της μιας ώρας. Η AUSPOS παρέχεται από την Australian Surveying and Land Information Group (AUSLIG) και επεξεργάζεται αρχεία μετρήσεων φάσης και κώδικα στις L1 και L2 συχνότητες, διάρκειας μεγαλύτερης των 2 ωρών. Για την επεξεργασία χρησιμοποιεί το λογισμικό MicroCosm. Τα αποτελέσματα υπολογίζονται χρησιμοποιώντας την τεχνική των Διπλών διαφορών με χρήση παρατηρήσεων από 3 σταθμούς αναφοράς. Εκφράζονται στο παγκόσμιο ITRF σύστημα και στο GDA94. Τέλος, υπάρχει και η PPP υπηρεσία του Καναδά, η οποία διαφέρει σημαντικά από τις άλλες στο γεγονός ότι παρέχει εκτιμήσεις απόλυτου εντοπισμού θέσης. Επεξεργάζεται αρχείο που προέρχονται από κινηματικό ή στατικό εντοπισμό και εκφράζει τα αποτελέσματα στα συστήματα NAD83(CSRS) και ITRF05. Μέγιστη διάρκεια του αρχείου παρατηρήσεων είναι οι 6 ημέρες, ενώ ελάχιστη δεν υπάρχει. Τα αρχεία θα πρέπει να περιέχουν παρατηρήσεις στις συχνότητες L1 και L2. Για την πειραματική σύγκριση των υπηρεσιών χρησιμοποιούνται αρχεία δεδομένων από πραγματικούς σταθμούς, κατάλληλα επεξεργασμένα ώστε να καλύπτουν όλες τις παραμέτρους, τα οποία υποβλήθηκαν σε όλες τις υπηρεσίες. Από τα αποτελέσματα προκύπτει πως οι ακρίβειες που επιτυγχάνονται από τα λογισμικά των υπηρεσιών είναι ικανοποιητικές, καθώς δεν παρουσιάζονται σημαντικές αποκλίσεις στα αποτελέσματα. Κάτι τέτοιο οδηγεί στο συμπέρασμα πως οι γνώσεις και η τεχνολογία που είναι διαθέσιμες μπορούν να ικανοποιήσουν τους απαιτητικούς χρήστες του συστήματος.

GPS is a Global Positioning System developed by the United States Department of Defense. It is used in numerous applications, such as global navigation, mapping, surveying and other scientific projects, seismology, synchronization of communications etc. Its principle of operation is similar with that of “geodetic resection” and the determination of position is achieved by processing measurements of distances from the users station to 4 or more satellites with known positions. The GPS consists of 3 major segments, the space segment, which comprises the orbiting satellites, the control segment and the user segment. Each GPS satellite broadcasts a radio signal in the region of microwaves that consists of two carrier frequencies, modulated digital codes, and a navigation message, which is transmitted in two distinct codes, the C/A code which is available to the public and the P code that is encrypted (anti-spoofing operation), and it can only be decrypted by the American Army and other specialized users. There are totally five frequencies in use (L1-L5) and the reason is that they can be used to correct the ionospheric delay. For the position calculations GPS measurements of code or phase are used depending on the user accuracy requirements and the available receiver equipment used. For the elimination of the errors in the GPS measurements linear combinations of observations are used, such as simple differences between satellites, simple differences between receivers, double differences, triple differences and the ionospheric-free linear combination (for meas. in L1 & L2 freq.) The errors are separated in three categories: those caused by satellites, those caused by receivers and those caused by the distribution of signal. A position can be determined using absolute or relative positioning. The second can be performed either in real-time or by post-processing. The techniques that can be applied in the field are variations of the so-called static, fast-static, stop-and-go kinematic, and the kinematic techniques and as of lately using virtual reference stations. In step with the ongoing developments of GPS various organizations, e.g. mapping agencies, provide nowadays advanced GPS products and data. One of these is the IGS, which assembles and analyzes data collected from a extensive worldwide network of permanent stations tracking continuously the GPS and GLONASS satellites. Their processing of the collected data results in various products, that are available to the users free of charge. These products are the orbital ephemerides and the satellite and station clocks, the parameters of earth rotation, the stations coordinates and velocities and, finally, the atmospheric parameters. In Greece has been designed and is already operating the so called Hellenic Positioning Service or HEPOS, which is based on a network of permanent stations located throughout the country and are tracking continuously the GPS satellites. Based on the processing of these measurements, HEPOS can provide various services for applications of differential GPS and geodetic relative positioning in real-time or for post-processing. In step with the development of technology and GPS, various on-line services have been established worldwide, which process GPS measurements and send the results to the interested users via internet. The general operating concept in such services has 3 major steps: the data uploading, the data processing and the forwarding of the results to the user. OPUS (Online Positioning User Service) is one of these services that is provided by the US National Geodetic Service. The submitted data must have a duration between 2 and 24 hours and must contain observations in both L1 & L2 frequencies. The results are expressed in Cartesian coordinates in both systems, ITRF00 and NAD83. The software it uses for the processing is called PAGES. The precision of results is expressed through the peak-to-peak errors, that follow the coordinates. Improvement of precision is achieved through the usage of datasets with greater duration or using final IGS products. OPUS-RS is provided by the same organization and is nearly identical to the previous one, with regard to the way the user interacts with the service. Fundamental point of difference is the duration of observations that can be processed, which can be between 15 min and 4 hours for RS. That service provides the capability of relative processing too, using 9 reference stations. The basic software used for this type of processing is RSGPS. The data must contain observations in L1, L2, P1 & P2. One similar service is SCOUT (Scripps Coordinate Update Tool), which is offered by the Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) located at the Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP) on the Scripps Institute of Oceanography (SIO) campus of the University of California at San Diego. One particular characteristic of this service is that it accepts data only from specific models of GPS receivers, due to the requirements imposed by the GAMIT software that is used for the processing. As reference stations it uses the 3 nearest to the user available stations. The results are expressed in Cartesian coordinates in the ITRF05 system and they are sent to the user via e-mail. The observations must have a duration longer than1 hour. The AUSLIG Online GPS Processing Service or AUSPOS is provided by the Australian Surveying and Land Information Group (AUSLIG) in Camberra and processes files with phase and code observations in both L1 & L2 frequencies and with a duration greater than 2 hours. The MicroCosm software is used for the processing. The results are calculated using the technique of Double Differences, using observations from 3 reference stations. They are expressed in ITRF and GDA94 systems. Finally, there is the Precise Point Positioning or PPP service offered by the Geodetic Survey Division of the Department of Natural Resources Canada (NRCan), which differs considerably from the others in so far as that provides estimated coordinates using absolute positioning. The data can be collected from kinematic or static mode and the results are expressed in the ITRF05 and NAD83(CSRS) systems. The maximum duration for observations is 6 hours, with no minimum duration specified as requirement. The user-supplied file must contain GPS observations in both L1 & L2 frequencies. For the experimental comparison of these services we used data collected from actual stations, suitably pre-processed so that to conform with the data form and file requirements imposed by these services, and finally submitted the same data to all services. From the results it is obviously that the accuracy which can achieved by the software used by each of these services is very satisfactory, while no important discrepancies were noted in the results obtained from the same data. That leads us to the conclusion that the know-how and the technology, which are available at this time, can satisfy even the most demanding users of the GPS system.