Auswertung von Navigationssatellitendaten Exploitation des données de systèmes de navigation par satellites

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1 armasuisse Auswertung von Navigationssatellitendaten Exploitation des données de systèmes de navigation par satellites D. Ineichen, S. Lutz

2 Themen Thèmes Resultate aus dem Reprocessing von bald 20 Jahren Permanentnetzdaten Résultats du reprocessing de presque 20 années de données de stations permanentes (D. Ineichen) Entwicklungsarbeiten zur Integration der neuen Satellitensysteme Galileo (EU) und BeiDou (China) Développement sur l intégration des nouveaux systèmes de navigation par satellites Galileo (UE) et BeiDou (Chine) (S. Lutz) 2

3 Einführung PNAC Introduction PNAC Permanent Network Analysis Center Auswertung von GNSS- Permanentnetzdaten (AGNES+) Koordinaten-Monitoring / Troposphärenparameter Beitrag EUREF Kampagnenauswertungen (CHTRF/Ingenieurvermessung) Permanent Network Analysis Center Calcul des données de réseaux GNSS permanents (AGNES+) Monitoring des coordonnées / paramètres troposphériques Contribution EUREF Calcul de campagnes (CHTRF/ mensuration d ingénieur) 3

4 Motivation für Reprocessing Motivation pour le reprocessing Generierung homogener Zeitserien Neue Input-Daten (Bahn- und Erdrotationsdaten von CODEs Reprocessing 2011 und 2013) Absolute Antennenmodelle (bis jetzt nur für Testlösungen möglich, um Sprünge zu vermeiden) Nutzung neuer Auswerteoptionen (Bernese Version 5.2) Erweiterung des Netzes (Stationen mit guter Performance) Teilnahme am EUREF-Reprocessing EPN-Repro2 / GNSS4SWEC Génération de séries temporelles homogènes Nouvelles données Input (Orbites et données de rotation de la Terre du reprocessing CODE 2011 et 2013) Modèles d antenne absolus (jusque là uniquement possible pour des solutions test pour éviter les sauts) Utilisation de nouvelles options de calcul (Version 5.2 Bernese) Extension du réseau (Stations avec de bonnes performances) Participation au reprocessing EUREF EPN-Repro2 / GNSS4SWEC 4

5 Ausgewertetes Netz Réseau calculé 190 Stationen Aus diversen Quellen: - IGS/EUREF - AGNES - D/A/F/I - Andere (Nagra, COGEAR, ) 5

6 Ausgewertetes Netz (2) Réseau calculé (2) Verankerung in ganz Europa Lagerung auf globale Netze Ancrage en Europe Liaison aux réseaux globaux 6

7 Bemerkungen zum Reproccessing Remarques à propos du reprocessing Zeitspanne: 1996, Tag 007 bis 2014, Tag 207 Anzahl Stationen/Tageslösung: 20 (1996) -> 170 (2014) CODE-Bahnen/ERPs vom 2011-/ 2013-Reprocessing Lagerung im IGb08 (ITRF2008) RNX2SNX-BPE weiterentwickelt für Reprocessing-Aufgabe Période: 1996 (jour 007) jusqu en 2014 (jour 207) Nombre de stations / solution journalière: 20 (1996) -> 170 (2014) Orbites du CODE/ERP du reprocessing 2011/2013 Calage sur IGb08 (ITRF2008) RNX2SNX-BPE développé pour des travaux de reprocessing Anzahl ausgewertete Stationen pro Tag Nombre de stations calculées par jour 7

8 Auswerteoptionen Options de calcul Gerechnet mit Bernese GNSS Software Version 5.2: - GPS/GLONASS-Lösung - Absolute Antennenkalibrationswerte, auch GLONASS spezifisch - Troposphäre GMF / Chen Herring für Gradienten - IERS2010-Konventionen - Höhere Ordnungsterme Ionosphäre Calculé avec le logiciel GNSS Bernese version 5.2: - Solution GPS/GLONASS - Valeurs de calibration absolues des antennes, aussi pour GLONASS - Troposphère GMF / Chen Herring pour les gradients - Conventions IERS Higher order ionosphere 8

9 Grafische Qualitätskontrolle Contrôles graphique de qualité Anzahl der Tageslösungen (6776) zu gross, um mit Hilfe von Protokollfiles kontrolliert zu werden Grafische Darstellung von 40 Qualitätsparameter Galileo, SBAS Nombre de solutions journalières (6776) trop volumineux pour être contrôlé avec des fichiers journaux No GLONASS orbits Représentation graphique de 40 paramètres de qualité 9

10 Benötigte Zeit pro Tageslösung Temps nécessaire par solution journalière Rechenzeit [s] / Tageslösung 1996: 20 Stationen (24 Satelliten) 40 sec / Tageslösung 2011: 150 Stationen (55 Satelliten) bis zu 1300 sec / Tageslösung 2014: Nach Disk-Umstellung: 9 Tageslösungen pro Stunde 19 Jahre brauchen ca. 3 Wochen Berechnungszeit (auf 2 Linux-Servern mit je 32 nominellen CPUs) 10

11 Auslastung der CPUs Utilisation des processeurs Beispiel PNAC7: Reprocessing CPU-Auslastung 25% Reprocessing 2014 CPU-Auslastung 65% Nach Disk-Umstellung Reprocessing pausiert während Stundenlösung (ca. 20 Min/Std), um Performance nicht zu gefährden Le reprocessing est mis en pause pendant la solution horaire (env. 20 min/h), pour ne pas porter atteinte aux performances 11

12 Ein paar Zahlen Quelques chiffres 190 Stationen / stations Tageslösungen / solutions journalières Beobachtungsfiles / fichiers d observation Geschätzte Parameter / paramètres estimés Beobachtungen / observations 12

13 Prinzip Mehrjahreslösung Principe de solution multi-annuelle Bernese-Programm ADDNEQ2 Tägliche Normalgleichungsfiles (NEQs) von Reprocessing ergänzt mit Lösungen aus Routine ab Tag 207, 2014 Vorteile: - Erweiterung der Zeitserien immer bis zum aktuellen Datum - Täglich neue Koordinaten verfügbar (z. Bsp. nach Antennenwechsel). Schwierigkeiten (grösstenteils gelöst): - Nicht komplett identische Netzwerke / Auswerteoptionen Programme Bernese ADDNEQ2 Fichiers journaliers (NEQs) du reprocessing complétés avec les solutions des routines à partir du jour 207 de 2014 Avantages: - Extension de la série chronologique toujours jusqu à la date actuelle - Chaque jour de nouvelles coordonnées sont disponibles (p. ex. après un changement d antenne) Difficultés (partiellement résolu): - Réseaux pas complètement identiques / options de calcul 13

14 Wiederholbarkeiten (Vergleich alt neu) Répétabilité (comparaison ancien-nouveau) Alt: Wöchentliche Wiederholbarkeit ZIMM [mm] Neu: Tägliche Wiederholbarkeit ZIMM [mm] Ancien: répétabilité hebdomadaire ZIMM [mm] Nouveau: répétabilité journalière ZIMM [mm] 14

15 Wiederholbarkeiten (Vergleich aller Stationen) Répétabilité (comparaison de toutes les stations) Vergleich RMS aller Stationen: Comparaison RMS de toutes les stations: Nord Ost Höhe Mehrjahreslösung (alt, wöchentlich) 1.4 mm 1.2 mm 3.5 mm Mehrjahreslösung (neu, täglich) 1.6 mm 1.4 mm 4.5 mm Die neue Lösung zeigt eine sehr schöne Performance Die RMS-Differenz ist kleiner als der zu erwartende Faktor 2.6 ( 7 ), wöchentlich -> täglich La nouvelle solution présente une belle performance La nouvelle différence du RMS est inférieure au facteur 2.6 ( 7 ) attendu, hebdomadaire -> journalier 15

16 Koordinatendifferenzen alt-neu (EU) Différences de coordonnées (EU) Sortierte Helmert-Residuen Nord [mm] / Différences Helmert sorties selon le nord [mm] Sortierte Helmert-Residuen Höhe [mm] / Différences Helmert sorties selon l altimétrie [mm] RMS aller Stationen / RMS de toutes les stations: 2.1 mm Nord / 1.9 mm Ost / 8.0 mm Höhe 16

17 Koordinatendifferenzen Lage, Schweiz Différences de coord. planimétriques, Suisse RMS: N/E 1.7 mm Maximum: 5 mm (San Bernardino) 17

18 Koordinatendifferenzen Höhe, Schweiz Différences de coord. altimétriques, Suisse RMS: Höhe 8 mm Maximum: bis 18 mm (Bourrignon, Doppelstation alt) Normalerweise: < 10 mm Hauptgründe: Wechsel auf absolutes Antennenmodell, Troposphärenmodellierung Raisons principales: changement au modèle d antenne absolu, modélisation de la tropo. 18

19 Beispiel: Zeitserie relativ zu Zimmerwald Ex. : série temporelle relative à Zimmerwald Zeitserie von Zimmerwald, CH Zeitserie von Onsala, SE Série temporelle de Zimmerwald, CH Série temporelle de Onsala, SE Signal ermöglicht das Schätzen von Geschwindigkeiten Signal permet l estimation des vitesses 19

20 Horizontale Geschwindigkeiten: Zentraleuropa Vitesses horizontales: Europe centrale Relativ zu ETRF2000 und Zimmerwald Relatif à ETRF2000 et Zimmerwald 20

21 Horizontale Geschwindigkeiten: Schweiz Vitesses horizontales: Suisse 21

22 Geschwindigkeiten: Differenz neu-alt Vitesses: différences nouveau-ancien 22

23 Vertikale Geschwindigkeiten: Zentraleuropa Vitesses verticales: Europe centrale Relativ zu IGS08 Relatif à IGS08 23

24 Vertikale Geschwindigkeiten: Schweiz Vitesses verticales: Suisse 24

25 Geschwindigkeiten: Differenz neu-alt Höhe Vitesses: Diff. nouveau-ancien en altimétrie Relativ zum Mittel aller AGNES-Stationen / relatif à la moyenne de toutes les stations AGNES 25

26 Geschwindigkeiten: Differenz alt-neu Höhe Vitesses: Diff. ancien-nouveau en altimétrie Geschwindigkeitsschätzung erstaunlich robust in Bezug auf Auswerteoptionen Estimation de vitesse étonnamment robuste par rapport aux options de calcul 26

27 EUREF: swisstopo-beitrag an EPN-Repro2 EUREF: Contribution swisstopo à EPN-Repro2 Europäisches Projekt für das gemeinsame Reprocessing des EPN PNAC hat im Oktober 2014 als erstes Analysezentrum Lösung abgegeben Tägliche Koordinaten- und Troposphärenfiles im SINEX-Format Elimination aller nicht IGS-/EUREF- Stationen -> Lösung mit 95 Stationen Projet européen pour le reprocessing commun de EPN PNAC est le premier centre d analyse a avoir fourni en octobre 2014 une solution Coordonnées journalières et fichiers troposphériques au format SINEX Elimination de toutes les stations non- IGS/EUREF -> Solution avec 95 stations 27

28 AGNES: Anpassung/Erweiterung Routine AGNES: Adaptation/extension de routines Alle Reprocessing-Stationen ebenfalls in Routine-Auswertung: 120 -> 170 Stationen Möglichst identische Auswerteoptionen zwischen Reprocessing und Routine Komplett neue Processing Engine Diverse parallel gerechnete Lösungen konnten reduziert werden Toutes les stations avec reprocessing également dans le calcul routinier: 120 -> 170 stations Si possible, option de calcul identique entre le reprocessing et les routines Nouveau Processing Engine Diverses solutions calculées en parallèle ont été réduites 28

29 Zusammenfassung/Ausblick Reprocessing Résumé/perspective du reprocessing Komplett neu gerechnete Zeitserie von 1996 bis 2014 Kombination mit Lösungen aus Routine-Processing ermöglicht tägliche Aktualisierung der Koordinaten/Geschwindigkeiten Einfluss Reprocessing auf die AGNES-Stationen: Koordinaten: Differenz max. 5 mm Lage und 18 mm Höhe Geschätzte Geschwindigkeiten im Bereich ± 0.5 mm/j Lage und ± 1.7 mm/j Höhe, Differenzen maximal 0.3 mm/j (Lage) und 0.5 mm/j (Höhe) Série chronologique recalculée de 1996 à 2014 La combinaison avec les solutions du processing de routines permet une actualisation journalière des coordonnées et des vitesses Influence du reprocessing sur les stations AGNES: Coordonnées: différence max. 5 mm en planimétrie et 18 mm en altimétrie Vitesses estimées aux environs de ± 0.5 mm/an en planimétrie et ± 1.5 mm/an en altimétrie, différences max. 0.3 mm/an (planim.) et 0.5 mm/an (altim.) 29

30 Zusammenfassung/Ausblick Reprocessing (2) Résumé/perspective du reprocessing (2) Reprocessing ist eine fortdauernde Aufgabe (neue Inputdaten, Software-Aktualisierungen und Auswerte-Optionen) Zukünftige Berechnungen (hoffentlich) leichter und schneller realisierbar, da die meisten Probleme im 1. Run gelöst wurden Geplant: Berechnungen mit weiteren Auswerte-Strategien (individuelle Antennenmodelle, Troposphärenmodellierung, Variation Elevationsmaske, GPS/GLONASS only ) Le reprocessing est une tâche permanente (nouvelles données, mises à jour logicielles et options de calcul) Futurs calculs (espérons-le) plus facile et plus rapidement réalisables, puisque la plupart des problèmes ont été résolus au premier tour Planifié: calculs avec d autres stratégies (modèles d antenne individuels, modélisation de la troposphère, variation des masques d élévation, GPS/GLONASS only ) 30

31 Themen Thèmes Resultate aus dem Reprocessing von bald 20 Jahren Permanentnetzdaten Résultats du reprocessing de presque 20 années de données de stations permanentes (D. Ineichen) Entwicklungsarbeiten zur Integration der neuen Satellitensysteme Galileo (EU) und BeiDou (China) Développement sur l intégration des nouveaux systèmes de navigation par satellites Galileo (UE) et BeiDou (Chine) (S. Lutz) 31

32 Inhalt Contenu Warum Multi-GNSS? Pourquoi Multi-GNSS? Die Grundlagen Les conditions Analyse der Beobachtungsdaten Analyse des données observées Erste Auswertungen mit Galileo Exploitations préliminaires avec Galileo Zusammenfassung und Ausblick Résumé et perspective 32

33 Warum Multi-GNSS? Pourquoi Multi-GNSS? Satellitengestützte Positionierungs-, Navigations-, und Zeitübertragungsdienste für zivile Anwendungen Services de positionnement, navigation, et de transfer du temps par satellites pour l utilisation civil - 2 etablierte Systeme für Zwei-Frequenz-Analysen 2 systèmes établis pour les analyses à deux fréquences GPS (USA), GLONASS (RUS) - 4 neue Konstellationen im Aufbau 4 nouvelles constellations en phase de développement Galileo (EU), BeiDou (CHN), QZSS (JPN), IRNSS (IND) Mehr Trägerfrequenzen sowie neue und verbesserte Signale, auch bei GPS und GLONASS Plus de fréquences porteuses ainsi que des signaux nouveaux et améliorés, aussi pour GPS et GLONASS 33

34 Warum Multi-GNSS? Pourquoi Multi-GNSS? Vorteile von Multi-GNSS für den Nutzer: Avantages de Multi-GNSS pour l utilisateur: - Verbesserte Sichtbarkeit zu den Satelliten Visibilité des satellites améliorée - Erhöhte Verfügbarkeit von Signalen Disponibilité augmentée des signaux - Weniger anfällig bei fehlerhaften Satelliten oder Systemen Moins sensible par rapport aux satellites ou systèmes erronées - Mehr Kombinationsmöglichkeiten (Frequenzen, Systeme) und Kontrolle von Hintergrundmodellen durch Vergleiche verschiedener Lösungen Plus de possibilités de combinaison (fréquences, systèmes) et contrôle des modèles de fond par des comparaisons des différentes solutions 34

35 Die Grundlagen Les conditions International GNSS Service (IGS): - Formate, Standards, Konventionen Formats, standards, conventions Receiver Independent Exchange Format (RINEX) Antenna Exchange Format (ANTEX) IGS Multi-GNSS Experiment (MGEX): - Informationen zu den neuen Satelliten-Konstellationen Informations sur les nouvelles constellations des satellites - Beobachtungsdaten Données observées - Produkte (z.b. Bahndaten und Satellitenuhren) Produits (p.ex. données des orbites et horloges des satellites) 35

36 Die Grundlagen Les conditions RINEX 2.10 GPS, GLO RINEX 2.11 GPS, GLO, GAL 36

37 Die Grundlagen Les conditions RINEX 3.02 GPS, GLO, GAL, BDS, QZS - GPS: - GLO, GAL, 37

38 Die Grundlagen Les conditions 38

39 Die Grundlagen Les conditions Broadcast Orbits (GPS, GLO, GAL, BDS, QZS) ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss/data/campaign/mgex/daily/rinex3/yyyy/brdm Montenbruck et al. (2014) Broadcast versus precise ephemerides: a multi-gnss perspective. GPS Solutions, DOI /s Präzise Bahnen haben eine Genauigkeit im cm- bis dm-bereich Les orbites précises ont une exactitude de cm à dm 39

40 Analyse der Beobachtungsdaten Analyse des données observées Programme / Logiciels - G-Nut/Anubis (Geodetic Observatory Pecný, CZE) - Ntrip Client (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, DEU) - Eigenentwicklungen für die Grafiken Développements autonomes pour les illustrations Verfügbarkeit und Vollständigkeit Disponibilité et intégralité des données Früherkennung von Datenproblemen Diagnostic précoce des problèmes de données Bewertung von unterschiedlichen Messweisen Evaluation des différents modes de mensuration Rückmeldung an Stationsbetreiber und Empfängerhersteller Feed-back aux opérateurs des stations et développeurs des récepteurs 40

41 Analyse der Beobachtungsdaten Analyse des données observées Sichtbarkeit der Satelliten und Anzahl Trägerfrequenzen Visibilité des satellites et nombre des fréquences porteuses Beispiel / Exemple ZIM3 10-Dec-2014, 00:00:00 23:59:59 UTC Rec.: TRIMBLE NETR Ant.: TRM NONE N N N N GPS GLONASS Galileo BeiDou 41

42 Analyse der Beobachtungsdaten Analyse des données observées Anzahl beobachteter Satelliten pro Tag und pro Epoche Nombre de satellites observés par jour et par époque Beispiel / Exemple ZIM3 10-Dec-2014, 00:00:00 23:59:59 UTC Rec.: TRIMBLE NETR Ant.: TRM NONE GPS GAL GLO BDS 42

43 Analyse der Beobachtungsdaten Analyse des données observées Mehrwegeffekte der unterschiedlichen Beobachtungstypen Effets des trajets multiples des différents types d observation Beispiel / Exemple ZIM3 10-Dec-2014, 00:00:00 23:59:59 UTC Rec.: TRIMBLE NETR Ant.: TRM NONE GPS GAL GLO BDS 43

44 Analyse der Beobachtungsdaten Analyse des données observées Mehrwegeffekte der unterschiedlichen Beobachtungstypen Effets des trajets multiples des différents types d observation «Snow problem» in Zermatt, 12-Nov-2014 Rec.: TRIMBLE NETR Ant.: TRM NONE GPS GLO 44

45 Erste Auswertungen mit Galileo Exploitations préliminaires avec Galileo Bernese GNSS Software Version 5.3 Aktuelle Entwicklungsversion der Universität Bern Version de développement actuelle de l Université de Berne Vorbereitungen / Préparations - RINEX-3-Beobachtungsfiles von PNAC-Stationen Fichiers d observation en RINEX 3 des stations PNAC - Prioritätenliste für die Beobachtungstypen Liste des priorités des types d observation - Informationen über Satelliten, Phasenzentren, usw. Informations sur les satellites, centres de phase, etc. - Präzise Satellitenbahnen und -uhren Orbites et horloges précises des satellites Neue Standard-Prozedur für Tagesauswertungen Nouvelle procédure de standard pour l exploitation par jour 45

46 Erste Auswertungen mit Galileo Exploitations préliminaires avec Galileo 36 Stationen mit RINEX 3; inkl. ZIM2, ZIM3, ZIMJ 36 stations avec RINEX 3; y compris ZIM2, ZIM3, ZIMJ 8 Empfängertypen 8 types de récepteurs - Javad - Leica (3) - Septentrio (2) - Trimble (2) 46

47 Erste Auswertungen mit Galileo Exploitations préliminaires avec Galileo Zuordnung der Beobachtungstypen auf zwei Frequenzen Attribution des types d observation à deux fréquences G=GPS, R=GLONASS, E=Galileo 47

48 Erste Auswertungen mit Galileo Exploitations préliminaires avec Galileo Tägliche Netzwerklösungen über sechs Wochen Solutions de réseau par jour pendant six semaines 48

49 Erste Auswertungen mit Galileo Exploitations préliminaires avec Galileo Koordinatendifferenzen gegenüber A-Priori-Modell Différences des coordonnées par rapport au modèle a priori North East Up 49

50 Zusammenfassung Résumé Multi-GNSS bringt viele Vorteile, aber auch Herausforderungen Multi-GNSS est avantageux, mais c est aussi un challenge Dank dem IGS-MGEX-Projekt sind die Grundlagen verfügbar Grâce au projet IGS-MGEX le fondement est à disposition Die Prä-Analyse der Beobachtungsdaten (RINEX 2 und 3) für GPS, GLONASS, Galileo, und BeiDou ist bereits voll automatisiert Tägliche Updates auf der PNAC-Webseite La pré-analyse des données observées (RINEX 2 et 3) pour GPS, GLONASS, Galileo, et BeiDou est déjà entièrement automatisée Mise à jour quotidiennement sur le site web Erste Resultate der Verarbeitung von RINEX-3-Daten und der Integration von Galileo beim PNAC sind vielversprechend Les premiers résultats du traitement des données en RINEX 3 et de l intégration de Galileo au PNAC sont prometteurs 50

51 Ausblick Perspective Detaillierte Analyse der Resultate Analyse détaillée des résultats Integration der Daten von BeiDou in die Auswertung Intégration des données de BeiDou dans l évaluation Ausbau der Infrastruktur in der Schweiz («AGNES-3») Expansion de l infrastructure en Suisse («AGNES-3») 51

52 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Merci pour votre attention! Fragen? Questions? 52

53 Nächstes Prochain colloque swisstopo 16. Januar 2014, 14:30 Uhr 16:00 Uhr (intern) Automatische Generalisierung der Landeskarte 1: Projektstand und Ausblick 16 janvier h30 à 16h00 (interne) Généralisation automatique de la carte nationale 1: État du projet et perspectives 53