• No results found

Processing of ground based GNSS data to produce near real time (NRT) tropospheric zenith

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Processing of ground based GNSS data to produce near real time (NRT) tropospheric zenith"

Copied!
32
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Processing of ground­based GNSS 

Processing of ground­based GNSS 

data to produce near real­time (NRT) tropospheric zenith 

data to produce near real­time (NRT) tropospheric zenith 

path delays (ZTD)

path delays (ZTD)

Jan Douša   

Jan Douša   

 

 

(jan.dousa([email protected]@pecny.cz))

Geodetic Observatory Pecn

Geodetic Observatory Pecný,ý,

Research Institute of Geodesy, Topography and Cartography,

Research Institute of Geodesy, Topography and Cartography,

The 

The Czech RepublicCzech Republic E­GVAP Workshop 

E­GVAP Workshop 

November 6, 2008 November 6, 2008

(2)

Outline

Outline

introduction to GNSSintroduction to GNSS the concept of GNSS contribution to meteorologythe concept of GNSS contribution to meteorology different GNSS processing approaches  (PPP x Network)different GNSS processing approaches  (PPP x Network) general aspects of the network processing (in brief)general aspects of the network processing (in brief) the requirements and features of near real­time (NRT) solutionthe requirements and features of near real­time (NRT) solution some some results and comparisonsresults and comparisons
(3)

GNSS ­ Global Navigation Satellite Systems

GNSS ­ Global Navigation Satellite Systems

GPS NAVSTARGPS NAVSTAR  – – NNAVAVigation igation SSystem using ystem using TTiming iming AAnd nd RRanginganging

The United States’ military service

The United States’ military service   (

(1972, 1972, fully operationalfully operational  since since 1994)1994)       

      

GLONASSGLONASS –  – GLOGLObalnaja balnaja NANAvigacionnaja vigacionnaja SSputnikovaja putnikovaja SSistemaistema

Russian (the Soviet Union’) military service Russian (the Soviet Union’) military service   (1978,  (1978, scheduled for restoration by 2010scheduled for restoration by 2010))                

GALILEOGALILEO ­ European Space Agency (ESA) ­ European Space Agency (ESA)

European commercial service  European commercial service  (1999,   (1999,  scheduled to be fully operational by scheduled to be fully operational by 20201313))                 DORIS (France),  COMPASS or Beidou (China), QZSS (Japan), IRNSS (India)  DORIS (France),  COMPASS or Beidou (China), QZSS (Japan), IRNSS (India) 

(4)

Satellite tracks projected onto the surface

Satellite tracks projected onto the surface

GPS GPS – 31 (32) satellites / 6 orbital planes / 11h 58min– 31 (32) satellites / 6 orbital planes / 11h 58min

GLONASSGLONASS – 21 (24) satellites / 3 orbital planes / 11h 15min  – 21 (24) satellites / 3 orbital planes / 11h 15min  GalileoGalileo – 27 (30) satellites / 3 planes – 27 (30) satellites / 3 planes

(5)

basic GNSS

basic GNSS

observables

observables

GPS oscillator with fundamental  GPS oscillator with fundamental  frequency 10.23 MHz multiplied by frequency 10.23 MHz multiplied by 154x ­> 1575.42 MHz  (L1) 154x ­> 1575.42 MHz  (L1) 120x ­> 1227.60 MHz  (L2) 120x ­> 1227.60 MHz  (L2) ­ code pseudorangecode pseudorange the measure of the transit time from satellite to receiver using autocorrelation of received and replicated signal (the  the measure of the transit time from satellite to receiver using autocorrelation of received and replicated signal (the  time is coded in signal)  time is coded in signal)      

        observablesobservables: :  C1 = L1  C1 = L1 CC/A/A, ,  P1 = L1 P(Y) P1 = L1 P(Y), ,   P2P2 = L2 P(Y)   and many others in future = L2 P(Y)   and many others in future    ≈≈  1m absolute positioning for civil usage1m absolute positioning for civil usage ­ phase pseudorangephase pseudorange the measure of the phase difference btw. received and replicated carrier frequency the measure of the phase difference btw. received and replicated carrier frequency observables: 

observables: L1, L2L1, L2 and others in future and others in future subcentimeter­level relative positioning

subcentimeter­level relative positioning

(6)

Error sources for GNSS

Error sources for GNSS

Satellites

Satellites

:

:

 e

 e

ph

ph

emeri

emeri

s

s

clocks, differencial code biases

clocks, differencial code biases

(AS

(AS­antispoofing­antispoofing, , S/AS/A­selective availability­selective availability before 2000) before 2000)

Receivers

Receivers

:

:

 

 

clocks

clocks

phase center offsets and variations, differencial code 

phase center offsets and variations, differencial code 

biases

biases

Environment

Environment

:

:

 

 

troposphere, ionosphere, multipath, Earth’s kinematics

troposphere, ionosphere, multipath, Earth’s kinematics

Processing

Processing

:

:

 

 

cycle­slips in phases, model errors 

cycle­slips in phases, model errors 

 

 

Elimination

Elimination

by observable differences

by observable differences

by introducing precise models and products

by introducing precise models and products

(7)

Parameters in GNSS mathematical model

Parameters in GNSS mathematical model

thus we have to handle somehow these parameters in GNSS processing: thus we have to handle somehow these parameters in GNSS processing: satellite and receiver positionsatellite and receiver position satellite and receiver clock correctionssatellite and receiver clock corrections Earth orientation parameters and geocenter coordinatesEarth orientation parameters and geocenter coordinates satellite and receiver code differential biassatellite and receiver code differential bias satellite and receiver phase center offsets and patternssatellite and receiver phase center offsets and patterns troposphere effecttroposphere effect ionosphere effectionosphere effect ambiguitiesambiguities
(8)

Observable differences

Observable differences

to eliminate some of the errors in mathematical GPS

to eliminate some of the errors in mathematical GPS model model, we often create, we often create  and use differences from the and use differences from the  original observables

original observables::

­ single­differencesingle­difference (SD) (SD) –  – difference between two stationsdifference between two stations ( (baseline generationbaseline generation)), which, which  eliminates the eliminates the 

satellite clock errors observed at both stations

satellite clock errors observed at both stations

­

­ double­differencedouble­difference (DD) (DD) – – difference between two SDs difference between two SDs ( (measurement to two satellites from the single measurement to two satellites from the single  baseline

baseline)), which eliminates, which eliminates  reciever clock errorsreciever clock errors

­ tripple­differencetripple­difference (TD) (TD) – diferen – diferences between two ces between two DD DD in different epochs, which is useful to detect in different epochs, which is useful to detect  the phase skips (e.g. when signal from satellite was discontinued)

the phase skips (e.g. when signal from satellite was discontinued)

­

(9)

GPS­meteorology concept

GPS­meteorology concept

GPS x NWP

we know

we know precise receiver and orbit positions,  precise receiver and orbit positions, we we  eliminate

eliminate i ionosonospherephere   effect (receiver and satellite clock  effect (receiver and satellite clock  error), 

error), we introduce (PCVs, OCTIDE, ...)we introduce (PCVs, OCTIDE, ...)  we estimate:  

we estimate:  zenith path tropospheric delay (receiver zenith path tropospheric delay (receiver 

and satellite clocks)

(10)

GPS observation equation

GPS observation equation

Basic GPS carrier phase observable (scale to distance):

Basic GPS carrier phase observable (scale to distance):

L

L

recrecsatsat

 = 

 = 

σ

σ

rec

recsatsat

 +  c*

 +  c*

δ

δ

satsat

 + c*

 + c*

δ

δ

recrec

 + 

 + 

λ

λ

*n

*n

recrecsatsat

 + 

 + 

IONION

 +

 +

 

 

TRP   TRP   

ε

ε

rereccsatsat

 

  σ

σrecrecsat      sat      .. .. receiver­satellite distance in vacuum receiver­satellite distance in vacuum 

   

   ((receiverreceiver and and satellite coordinates satellite coordinates))

c       

c          .. speed of light.. speed of light

δ

δsatsatδδ rec 

rec   .. .. satellite and receiver clocksatellite and receiver clock errors errors

λ

λ                 .. wavelength of the carrier phase.. wavelength of the carrier phase

n

nrecrecsat       sat       .. unknown initial phase .. unknown initial phase ambiguitiesambiguities

IONION    .. ionospheric (slant) delay.. ionospheric (slant) delay

TRPTRP              .. .. tropospheric (slant) path delaytropospheric (slant) path delay

TRPTRP    = = mmffhh(z) * ZHD + (z) * ZHD + mmffww(z) *(z) *  ZWDZWD (z = zenith distance)(z = zenith distance) ZTD  ZTD       = ZHD + ZWD= ZHD + ZWD ZTD 

ZTD [m][m]    ­ ­   Zenith Total DelayZenith Total Delay        (usually site & time­dependent parameters)(usually site & time­dependent parameters)

m

mffww  //  hh                ­ ­  mapping function        mapping function       (wet / hydrostatic)(wet / hydrostatic)

L Lklkl ij ij  = L  = Lklkl – L – Lklkl j    j    = ( L = ( Lkk – L – Lll i   i   ) – ( L ) – ( Lkk – L  – L ll ) )   double differences in network sol.   double differences in network sol.

← satellite and receiver position need satellite and receiver position need to be accurately known

to be accurately known

← eliminated using double-differences eliminated using double-differences (estimated in PPP !!!)

(estimated in PPP !!!)

← need to be resolved integer or floatneed to be resolved integer or float

← first-order eliminated infirst-order eliminated in the ’ionospher

(11)

Least Squares Adjustment

Least Squares Adjustment

GPS „distance“  GPS „distance“  measurements  measurements  (code and/or phase) (code and/or phase) stochastic information stochastic information unknown  unknown  parameters parameters   coordinatescoordinates   ambiguitiesambiguities   ztd‘sztd‘s after linearization user usually knows the models for the orbits, tides, etc. Observations: Observations: residuals residuals
(12)

Normal Equations (NEQs

Normal Equations (NEQs

)

)

normal

normal  equationequation

parameter estimation

parameter estimation

minimizing the residuals:     

minimizing the residuals:     e‘ P e e‘ P e   min. min.

parameters of interest  (coordinates,       parameters of interest  (coordinates,              troposphere, ...)        troposphere, ...) parameters to be eliminated (ambiguities) parameters to be eliminated (ambiguities)

(13)

Sequential Adjustment: Idea

Sequential Adjustment: Idea

often applied in two ways:

often applied in two ways:

- time domain time domain

(sequential solutions)(sequential solutions)

- space domain space domain

(network clusters)(network clusters)

Processing of sequential

Processing of sequential

solutions :

solutions :

identical

identical with processing all with processing all observations in a common

observations in a common

adjustment, if there are no

adjustment, if there are no

correlations

correlations of the original of the original observations

observations

tim

(14)

Processing strategies & software

Processing strategies & software

PPP approach: Epos - Epos - GFZGFZ Gipsy -

Gipsy - NGAANGAA

Network approach:

Gipsy -

Gipsy - ASI ASI

Bernese -

Bernese - BKG, GOP, KNMI, LTP, ROB, METO, SGNBKG, GOP, KNMI, LTP, ROB, METO, SGN

• Large NEQ

• Increasing CPU with incr.

number of sites/parameters

• Correlations btw stations are ignored • Use of external products (orbits, clocks)

Disadvantages

• Correlations between

parameters of all stations are taken into account

• Independence of external

products (except for small networks)

• Small NEQ

• Keeping CPU with increasing number of

sites / parameters (e.g. ZTD every 15 min, estimation of gradients)

• Investigations of site dependent effect

Advantages

Network using double differences Precise Point positioning (PPP)

(15)

PPP processing strategy 

PPP processing strategy 

(example GFZ)

(example GFZ)

Part 1 - Network orbit improvement:

Adjustment of precise orbits & clocks Global network : ~20 IGS+German sites Input orbits: GFZ 3h Ultra-rapid (pred.)

CPU (Linux PC): ~6 to 8 minutes

Part 2 - PPP Analysis:

Estimation of trop. parameters Large set of parameters possible (high sampling rate, trop. gradients)

NEW: ‚slant delays‘ estimation

GFZ EPOS Software

(16)

General network processing steps

General network processing steps

creating data batches (x­hourly or sliding window)

creating data batches (x­hourly or sliding window)

data quality check

data quality check

single point positioning for rough recei

single point positioning for rough recei

ver

ver

 clock synchroniz

 clock synchroniz

ation

ation

network design by double differencing (clusters possible)

network design by double differencing (clusters possible)

data screening for phase cycle­slips, ambiguities set up

data screening for phase cycle­slips, ambiguities set up

iterative site & satellite

iterative site & satellite

 

 

quality check and outliers rejection

quality check and outliers rejection

ionosphere product & ambiguity resolution

ionosphere product & ambiguity resolution

reference frame reali

reference frame reali

z

z

ation & coordinate estimation

ation & coordinate estimation

(17)

Network processing strategy 

Network processing strategy 

(example GOP)

(example GOP)

pre­processingpre­processing is based on two­hours data batches is based on two­hours data batches

      

      1 hour redundancy with the previous run  ­ easier ambiguity resolution, 1 hour redundancy with the previous run  ­ easier ambiguity resolution, 

 

  ­ coordinates also for regularly ‘late’ RINEX ( > 30min )­ coordinates also for regularly ‘late’ RINEX ( > 30min )

normal equations (NEQ) normal equations (NEQ) – 1h for ZTD and 2h for coordinates– 1h for ZTD and 2h for coordinates processingprocessing  in clustersin clusters of the network of the network

coordinates coordinates are combined from last 28 days using 2h­NEQs with ambiguity fixed, free­are combined from last 28 days using 2h­NEQs with ambiguity fixed, free­

network solution, IGS05 reference frame

network solution, IGS05 reference frame

ZTD productZTD product based on last 12h stacking of 1h­NEQs based on last 12h stacking of 1h­NEQs ionosphere product ionosphere product for ambiguity resolutionfor ambiguity resolution

(18)

GOP processing scheme

(19)

Ambiguity resolution in near real­time

Ambiguity resolution in near real­time

initial phase ambiguities represent a huge number ( > 90% !) of necessarilly estimated 

initial phase ambiguities represent a huge number ( > 90% !) of necessarilly estimated 

parameters in mathematical GPS model

parameters in mathematical GPS model

in network solution, they can be resolved for integer numbers, which has strong impact 

in network solution, they can be resolved for integer numbers, which has strong impact 

for the coordinate estimation in short­time data­span 

for the coordinate estimation in short­time data­span 

ambituity resolution depends on time­window and baseline lenght

ambituity resolution depends on time­window and baseline lenght

in GOP solution, for example, the ambiguities are resolved for 

in GOP solution, for example, the ambiguities are resolved for 

70% in total

70% in total

  within 

  within 

two­hour data batch applying two­step approach (

two­hour data batch applying two­step approach (

wide­lane ambiguities

wide­lane ambiguities

 at 

 at 

Melbourne­Wubbenna phase+code linear combination resolved in 80­90% and 

Melbourne­Wubbenna phase+code linear combination resolved in 80­90% and 

narrow­

narrow­

lane ambiguities

lane ambiguities

 at ionosphere­free phase linear combination resolved with 70% 

 at ionosphere­free phase linear combination resolved with 70% 

success) 

success) 

resolved ambiguities are introduced ‘as known’ at least for the official coordinate 

resolved ambiguities are introduced ‘as known’ at least for the official coordinate 

estimation (

estimation (

North/East/Up

North/East/Up

 

 

coordinate repeatability improved from 10/10/25mm to 

coordinate repeatability improved from 10/10/25mm to 

6/6/16mm

6/6/16mm

a positive bias of aprox. 1mm observed in ZTD solutions btw ambituity free and fix 

a positive bias of aprox. 1mm observed in ZTD solutions btw ambituity free and fix 

solution !

solution !

(20)

NRT coordinate solutions

NRT coordinate solutions

The coordinates, which are ‘fixed’ or ‘tightly constrained’ in NRT ZTD solution should be as 

The coordinates, which are ‘fixed’ or ‘tightly constrained’ in NRT ZTD solution should be as 

good as possible ( 

good as possible ( ≈≈ 3:1 for CRD:ZTD) 3:1 for CRD:ZTD) example:  GOP solution for the coordinates example:  GOP solution for the coordinates the coordinates are based on ambiguity fixed solution using last 28 days of two­hourly the coordinates are based on ambiguity fixed solution using last 28 days of two­hourly  NEQs, the solution is updated every hour. NEQs, the solution is updated every hour. the coordinates are expressed in local datum close to the last ITRF realization by IGS the coordinates are expressed in local datum close to the last ITRF realization by IGS  (currently IGS05) by applying the Helmert transformation (fidutial stations are  (currently IGS05) by applying the Helmert transformation (fidutial stations are  iteratively checked) iteratively checked)

(21)

Troposphere model – Bernese GPS software

Troposphere model – Bernese GPS software

Slant tropospheric path delays = wet + dry (hydrostatic) are mapped into zenith using a  Slant tropospheric path delays = wet + dry (hydrostatic) are mapped into zenith using a  mapping function (mf)  mapping function (mf)  S SPPD   =  D   =  mmffHH(z)(z)  ZHD  +  ZHD  +  mmffWW(z)(z)  ZWD        [z = zenith distance]ZWD        [z = zenith distance] where ZHD can be well a priori estimated if atmospheric pressure and station heiht+latitude are  where ZHD can be well a priori estimated if atmospheric pressure and station heiht+latitude are  known (e.g. Saastamoinen, 1972) known (e.g. Saastamoinen, 1972) Because its variability, ZWD should be estimated for baselines > 20km Because its variability, ZWD should be estimated for baselines > 20km Extended model could apply additionally the azimuthal dependency expressed as horizontal  Extended model could apply additionally the azimuthal dependency expressed as horizontal  tropospheric gradients (G

tropospheric gradients (GNN north, G north, GEE easth): easth): S

SPPD   =  D   =  mmffHH(z) ZHD  +  (z) ZHD  +  mmffWW(z)(z)  ZWD +ZWD +  

 ∂∂  mfmfWW//∂∂ z [ G z [ GN cos(A) + Gcos(A) + GE sin(A)]      [A = azimuth]sin(A)]      [A = azimuth]

Constant or 

Constant or piece­wise linear functionpiece­wise linear function is is  applied for ZTDapplied for ZTD

Standard atmosphere (or in­situ atm. pres. measurement) for a priori ZHD

(22)

Troposphere model – impact study example

Troposphere model – impact study example

Some impacts in past using older models: Some impacts in past using older models:   2. 2. no a priori model (zero value) and dry Niell mapping function used for the total zenith delay estimated (used no a priori model (zero value) and dry Niell mapping function used for the total zenith delay estimated (used  until May 2005). until May 2005). 3. 3. a priori ZHD based on standard atmosphere and wet­Niell mapping function estimating ZTD (hopefully a priori ZHD based on standard atmosphere and wet­Niell mapping function estimating ZTD (hopefully  most of the ZWD). most of the ZWD).bias variablebias variable                in time and space in time and space  Another site­dependent Another site­dependent bias was introduced  bias was introduced  in 2006 due to changing in 2006 due to changing relative 

relative →→ absolute absolute Phase Center Variations Phase Center Variations and Offsets model used and Offsets model used (upto 5mm) (upto 5mm)

(23)

Tropospheric

Tropospheric

 product

 product

 (GOP example)

 (GOP example)

ZTDs for every hour (HH:00 + HH:59)

ZTDs for every hour (HH:00 + HH:59)

a linear trend is considered between the values

a linear trend is considered between the values

coordinates are heavily constrained to our estimated values realizing the IGb00 

coordinates are heavily constrained to our estimated values realizing the IGb00 

reference frame and written to the COST 716 format.

reference frame and written to the COST 716 format.

ZTD product filtering:

ZTD product filtering:

Sites with less than 4 hours of data in ZTD solution are excluded from the productSites with less than 4 hours of data in ZTD solution are excluded from the product Sites with less than 2 days of data in coordinate solution are excluded.  Sites with less than 2 days of data in coordinate solution are excluded.  

ambiguity­free (AF) and ambiguity­fixed (AX) ZTD solutions are provided 

ambiguity­free (AF) and ambiguity­fixed (AX) ZTD solutions are provided 

(officially AF), both using the same a priori coordinates values (ambiguity­fixed).

(officially AF), both using the same a priori coordinates values (ambiguity­fixed).

(24)

Requirements: Requirements: hourly GNSS data (IGS, EPN, national,...) precise orbits (IGS ultra­rapids, ...) precise orbits (IGS ultra­rapids, ...) for PPP: precise satellite clocks, DCB bias Features: Features: processing started every hour usually ZTD at the edge of the processing window correlation with respect to previous estimates (physical, via processing, possible constraints – depends on time­resolution) Other important models: Other important models: ocean and Earth tides (station coordinate, geocentr, satellite orbits) receiver and satellite phase center offsets and variations troposphere mapping function 2­nd, 3­rd  order ionosphere many others ­ especially in precise orbit determination

N

N

ear real­time 

ear real­time 

aspects of 

aspects of 

ZTD

ZTD

 estimation

 estimation

(25)

GNSS hourly data ­ availability

(26)

predominantly IGS ultra­rapid orbits used predominantly IGS ultra­rapid orbits used

Requirements on predicted orbits for ZTD

Requirements on predicted orbits for ZTD

errors in ZTD 20 01 2008 Synthetic error in orbit position Synthetic error in orbit position ­ 1m in along­track ­ 1m in cross­track
(27)

ZTD results ­ PPP vs Network

ZTD results ­ PPP vs Network

ZIMM and GOPE – one of the 12 ‘supersites’
(28)

Some ZTD/PWV comparison at GOP

Some ZTD/PWV comparison at GOP

2001­2003 comparison 2001­2003 comparison NRT x post­processing NRT x post­processing StdDev :  StdDev :  4­7mm  4­7mm  B Biasias : :    1­3mm1­3mm
(29)

­ 

­ weeklyweekly Sdev and Bias Sdev and Bias ­  ­ GPS ZTD from GOP near real­time  GPS ZTD from GOP near real­time   ­ NWM Hirlam from DMI ­ NWM Hirlam from DMI StdDev:  8­16mm    (28mm) Bias:  upto 16mm     (25mm)

ZTD comparison

ZTD comparison

NRT GOP  

(30)

AC’s NRT 

AC’s NRT 

ZTD 

ZTD 

 x  post­processing @ GOP

 x  post­processing @ GOP

ztd differences ­ freqency & distribution functions (2004/2005) ztd differences ­ freqency & distribution functions (2004/2005)      ACRI        ASI       BKG        GFZ        GOP       IEEC       LPT        NKG      NKGS B O R 1 G O P E H E R S P O T S W T Z R O N S A M A R 6 C A G L M A

(31)

Hour x day plots (ztd differences)

Hour x day plots (ztd differences)

NRT 

(32)

Ground­based GPS­meteorology

Ground­based GPS­meteorology

(Europe)

(Europe)

COST-716 Action (1998-2003):

"Exploitation of Ground-Based GPS for

Operational Numerical Weather Prediction and Climate Applications“

15 Institutions 7 ACs

> 200 GPS sites

TOUGH (2003-2006):

„Targeting Optimal Use of GPS Humidity Measurements in Meteorology“

15 Institutions (Coordinator DMI) 12 ACs

> 400 GPS sites

E-GVAP (2006 - 2009):

„The EUMETNET GPS Water Vapor Programme“

13 Institutions 10 ACs

References

Related documents

The present dissertation aims at utilizing available existing forest inventory and census data in Peruvian Amazonia together with freely available Landsat imagery and

If the final result of this matches the mobile device’s public portion of the DH exchange, then the mobile device now knows that the server is who it says it is and hence has

Existing methods for dynamic calibration of tipping-bucket rain gauges (TBRs) can be time consuming and labor intensive. A new automated dynamic calibration system has been developed

In a recent review of an article by Cohen and Crabtree (2008) we identified seven quality dimensions in existing appraisal instruments: evaluation of researcher bias,

So far as the first part of the question is concerned, it is appropriate to recall that, under Article 3(1)(c) of the Directive, marks consisting exclusively of signs or

A strategic alliance was proposed as an organizational concept for improved information management, consisting of farmers, inter-company network coordinators, who

The y had the feeling t hat the y went on holida y” (in dust ri al expert ).. Simil arl y, SA IC Mo tor Tech nical C ent re has man y fo rei gn emplo yees which jointl y wo rk

Send your original Activity Fund checks to make payment for KISD Credit Card Fund; including the copies of the receipt and statement associated with that check.. KISD