´ de Caldas Universidad Distrital Francisco Jose ´ Facultad de Ingenierıa Ingeneir´ıa Catastral y Geodesia Procesamiento De Datos GNSS
Informe No. 1 Post-procesamiento (Leica Geo Office / GPSTK aplicacion Vecsol)
Profesor Estudiantes C´ odigos Fecha
: Esp. David Monroy Machado : Anderson Leal V´elez Diego Alejandro Hern´andez Casta˜ neda : 20111025059 20111025055 : 14/Abril/2015
Este documento fu´e elaborado en LATEX.
´Indice general Introducci´ on
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Objetivos General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Marco te´ orico Posicionamiento GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Procesamiento GPSTK / VECSOL
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Procesamiento Leica Geo Office
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An´ alisis de resultados
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C´ onclusiones
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Introducci´ on El procesamiento de los datos brindados por los Sistemas Globales de Posicionamiento por sat´elite (GNSS) permite el refinamiento de las coordenadas finales capturadas por los receptores durante su funcionamiento, que puede variar seg´ un la presici´on de procesamiento deseada con la implementaci´on de diferentes estrategias, o empleo de insumos adicionales como las cargas oceanicas y movimiento del polo. En este primer taller se pretende realizar un post-proceso de posicionamiento est´atico dado entre dos antenas receptoras BOGA y GPSUD del dia 21 de febrero del 2015, correspondiente al dia gps 52, semana 1832 y dia gnss 6, donde se tomar´a como base la estaci´on continua de la Red Geod´esica colombiana Magna Eco BOGA, con el objeto de comparar los resultados obtenidos con el manejo de un software comercial (Leica Geo Office) y un software libre (GPSTK).
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Objetivos General Realizar el post-procesamiento est´atico de la se˜ nal GNSS capturada en el punto GPSUD a partir de los software Leica Geo Office y GPSTK por medio de la aplicaci´on Vecsol, cuyos resultados obtenidos en forma independiente ser´an objeto de comparaci´on.
Espec´ıficos 1. Determinar las coordenadas finales de post-proceso haciendo uso de los software Leica Geo Office y GPSTK. 2. Calcular la diferencia de refinamiento posicional dado por los software Leica Geo Office y GPSTK. 3. Determinar por que existen una discrepancia de resultados bajo una misma estrategia de procesamiento con los software Leica Geo Office y GPSTK.
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Marco te´ orico Posicionamiento GNSS Los procedimientos observables GNSS de manera general se clasifican de tres maneras: Conforme a la naturaleza de la medici´on: 1. Absoluto: Donde un equipo receptor se encuentra recibiendo la seal del sat´elite y no se encuentra comunicado con ning´ un otro equipo. 2. Relativo: La posici´on de uno o mas receptores moviles o fijos se calcula a partir de la posici´on de un equipo fijo de coordenadas conocidas. A la obtenci´on de resultados: 1. Post-procesado: Dado por la implementaci´on de software tanto comercial o libre en el refinamiento del posicionamiento final. 2. Timepo real: El resultado final de posicionamiento es dado en el mismo instante de medici´on. A la movilidad del equipo: 1. Est´atico: Los equipos se encuentran recepcionando la se˜ nal GNSS desde una posici´on fija todo el tiempo (considerable) de funcionamiento. 2. Est´atico R´apido: Los equipos se encuentran recepcionando la se˜ nal GNSS desde una posici´on fija todo el tiempo (r´apido) de funcionamiento. 3. Stop and Go: Los equipos se encuentran recepcionando la se˜ nal GNSS desde diferentes posiciones en lapsos de tiempo considerables. Actualmente el post-proceso es una t´ecnia empleada con regularidad y sus resultados de presici´on pueden variar seg´ un la movilidad del equipo durante la recepci´on de la se˜ nal en campo, haciendolas adecuadas o no para diferentes aplicaciones. Algunas de las caracteristicas de esta forma de obtenci´on de resultados son: 1. Post-proceso Est´atico: La presici´on dada es menor a los 5 milimetros que depende de las distancias de las estaciones, sus funciones principales son el control geodesico en redes nacionales o continentales y control del movimiento tect´onico [4]. 4
2. Post-proceso Cinem´atico: La presici´on dada est´a entre 1 y 10 centimetros, sus aplicaciones principales son el levatamiento de redes viales, batimetr´ıa y la determinaci´on de trayectorias de objetos en movimiento, entro otras [4]. 3. Post-proceso Stop and Go: La presici´on dada est´a entre 1 y 10 centimetros, sus aplicaciones principales son el levantamiento taquimetr´ıco, modoleos digitales de terreno, control de obras, entro otras [4].
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Procesamiento GPSTK / VECSOL La aplicacion vecsol de GPSTK determina la soluci´on del vertor 3D usando fases portadoras de doble frecuencia. Se aplica un algoritmo de doble diferencia con pesos debidamente calculados (elevation sine weighting) y correlaciones como se ve en[2, p´ag 107]. Uno de los elementos escenciales dentro del procesamiento es la configuraci´on manual de los parametros de entrada dentro de un archivo plano, denominado vecsol.conf, en cual se encuentra resumido en el Cuadro1.
Opci´on
Valor
Descripci´on
obsMode
3/2/1/0
truecov
1/0
precise
1/0
iono
1/0
iono
1/0
tropo
1/0
vecmode
1/0
debug
1/0
Si 1 o 3, datos de fase portadora de proceso (en lugar de C´odigo P de datos). Si es 0 o 1, itera sobre vector ionosfera-libre (no L1 + L2). Si 1, utilice verdaderos covarianzas doble diferencia. Si es 0, ignorar las posibles correlaciones. Si 1, utilice efem´erides precisas, si es 0, utilice emisi´on efemrides. Si es 1, utilizar el modelo ionosfrico 8-par´ametro que viene con las efem´erides de difusi´on (.nav) archivos. Si es 1, utilizar el modelo ionosf´erico 8-par´ametro que viene con las efem´erides de difusi´on (.nav) archivos. Si es 1, los par´ametros de estimaci´on troposfericos (retardo cenital relativos al valor est´andar, que es siempre aplicado). Si es 1, resuleve el vector, es decir, las tres coordenadas diferenciales entre los puntos finales de l´ınea base. Si es 0, resuellve para las coordenadas absolutas de ambos extremos o puntos. Si 1, producen una gran cantidad de informaci´on de depuraci´on. 6
Valor adoptado en Postproceso 1
1 1 1
1
1
1
1
refsat elev
n´ umero
cutoff elev
n´ umero
rej TP
dos n´ umero 0/1
reduce
Elevacin mnima (degs) de referencia satelital utilizado para el c´alculo de entre sat´elites diferencias. Buena elecci´on inicial: 30.0. Elevaci´on de corte (degs). Buena elecci´on inicial: 10.0-20.0. Fase lmite de rechazo de c´odigo diferencias triples (m). Aplica despu´es de la reducci´on de combinar inc´ognitas dependiente.
30.0
10 0.1 0.1 1
Cuadro 1: Contenido del archivo vecsol.conf. Tomado y modificado de [2]. Exiten adem´as de este fichero otros dos que son indispensables para el post-proceso, los cuales son vecsol.nav, el cual posee el nombre completo de los RINEX (ficheros extensi´on .N que poseen los datos navegados [5, p´ag 5]) [2, p´ag 108] y finalmente el vecsol.eph, donde estan nombrados los ficheros de las efemerides precisas correspondientes al d´ıa antes, durante y despues de la observaci´on [2, p´ag 108].
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Procesamiento Leica Geo Office En el procesamiento realizado mediante la herramienta comercial L.G.O. es necesario cargar los datos RINEX, Efem´erides precisas y los Offset de antenas de manera convensional, pero las consideraciones m´as importantes que se tuvieron en cuenta fueron: 1. Antenas: Fue necesario modificar el desplazamiento horizontal y vertical que esta dado por el diseo exterior del fabricante de los offset correspondientes para las dos antenas denominadas Lei AT504 y TPSGR5. 2. Base: la estaci´on continua perteneciente a la Red Magna Eco y SIRGAS-CON fue la empleada en el procesemiento como la base y por tanto sus cordenadas tenian que ser modificadas a partir de los reportes de coordenadas finales entregadas por SIRGAS resultado de las combinaciones IBGE para la semana gps 1832 (fichero ibg15p1832.crd). 3. Sat´elites activos: El tipo de Sistema Global de Navegaci´on por Sat´elite (GNSS) utilizado es Navstar, por tanto todo aquel sat´elite recepcionado que no pertenezca a esta constelaci´on sera descartado para el post-procesamiento e inhabilitado a priori. ´ 4. Angulo de elevaci´on: Esta opci´on de procesamiento fue dejada en cero grados (0 0’ 0”), debido a que de esta manera se esta tomando la totalidad de los sat´elites por arriba o debajo del horizonte del receptor y de esta manera dejando la mayor informaci´on posible que puede llegar a ser o no desiciva en la soluci´on. Procesando inicialmente los puntos se tiene el reporte base sobre el cual se deberan realizar correcciones de habilitaci´ones de de las se˜ nales en lapsos de tiempo parciales o totales de algunos sat´elites que presenten comportamientos an´omalos (fuera de la tendencia media de las curvas de los dem´as satelites) de la curva de c´odigo residuales CA/P1. Se procede a visualizar el comportamiento de las graficas correspondientes a los residuales, utilizando las diferencias sencillas, dobles y triples. Para los siguientes analisis se utilizar´an solamante las diferencias triples por lo que se posee mayor informaci´on y una mejoria considerable para el an´alisis. Como se muestra en el Cuadro2 la soluci´on se obtuvo a partir de los satelites G14, G18, G21, G22, G25 y G31. Se utiliz´o como base del calculo de los residuales el satelite G18, el cual tubo contacto con los receptores en la totalidad del tiempo de levantamiento.
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Analizando los residuales de diferencias triples se pueden observar varios picos generados por la informaci´on proveniente del sat´elite G21 (alcansando valores entre 1.4 y -1.4 m, aproximadamente), los cuales son los m´as considerables, lo que pueden ilustrar un posible salto de ciclo comenzando aproximadamente a las 13h 15m. Los picos siguientes a analisar corresponden al satelite G25 (alcansando valores entre 0.3 y -0.3 m, aproximadamente) que son los segundos picos mas pronunciados, este comportamiento se puede apreciar con algo de detalle en el Cuadro3. El Cuadro4 ilustra la geometria, la elevaci´on y azimut de los sat´elites que participan en el procesamiento. Se puede observar que la mejor geometr´ıa de los sat´elites se presenta aproximadamente desde las 13h hasta las 13h 15m, en donde sus valores de los diferentes DOP son menores a 4. Con respecto a la elevaci´on de los sat´elites se puede observar que la mayoria de los sat´elites en sestudio se mantienen sobre el horizonte.
Imagenes/geometria.PNG
Geometr´ıa Para realizar una justificaci´on acertada para los picos que presenta el sat´elite G21 se procede a analizar el Cuadro5, que ilustra la recepci´on de cada sat´elite durante el tiempo de levantamiento. En este cuadro se puede evidenciar un salto de ciclo para el sat´elite G21, este salto de ciclo coincide con los altos valores de los residuales que se presentaron en las gr´aficas. Para el sat´elite G25 se puede observar que no existe un salto de ciclo en los tiempos donde presenta picos en sus residuales. 9
De acuerdo a la informaci´on de los residuales se procede a remover la informac´on considerada como innecesaria y que perjudica el procesamiento y genera mayores errores en los c´alculos de las coordenadas. En la pr´actica se realizaron tres iteraciones removiendo informaci´on de acuerdo a las gr´aficas de los residuales con diferencias triples para cada procesamiento realizado. El procesamiento final al que se opt´o, corresponde a la informaci´on de los sat´elites por los tiempos ilustrados en el Cuadro5, en el cual las fracciones de color blanco representan la informacin no considerada para el procesamiento. No se consider´o la informaci´on inicial de los sat´elites porque en su mayor´ıa presentaba altos picos antes de las 12h 30m. El Cuadro6 ilustra las gr´aficas de residuales de diferencias triples, la geometr´ıa, la elevaci´on y azimut de los sat´elites para el procesamiento final, donde pueden observar picos no superiores a 0.2, -0.2 m para los residuales con diferencias triples, una buena geometr´ıua de los sat´elites desde las 12h 43m hasta las 13h aproximadamente, en donde los PDOP poseen un valor inferior a 4. Con respecto a la elevaci´on de los sat´elites se puede afirmar que la mayor parte de los sat´elites que se encuentran por encima del horizonte entre los 40 ◦ y 60 ◦ corresponde al mismo intervalo de tiempo en el cual se posee una buena geometr´ıa de los mismos. Para los tiempos restantes la cantidad de sat´elites no poseen valores menores de 20 ◦ desde el horizonte.
Imagenes/residualesfinal.PNG
Residuales de diferencia triple
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Imagenes/DifSenci.PNG
Diferencias Sencillas
Imagenes/DifDoble.PNG
Diferencias Dobles
11 Imagenes/DifTriple.PNG
Imagenes/g21.PNG
G21
Imagenes/g25.PNG
G25 Cuadro 3: Gr´aficos residuales de los satelites G21 y G25.
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Imagenes/elevacion.PNG
Elevaci´on
Imagenes/azimut.PNG
Azimmut Cuadro 4: Principales caracter´ısticas de los satelites del post-proceso
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Imagenes/tiempos.PNG
Cuadro 5: Tiempos de recepci´on de cada sat´elite.
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Imagenes/geometriafinal.PNG
Geometr´ıa
Imagenes/elevacionfinal.PNG
Elevaci´on
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An´ alisis de resultados Los resultados obtenidos utilizando los dos diferentes software de procesamiento, Leica y GPSTK mediante la aplicaci´on Vecsol, se presentan en la siguiente tabla, la cual ilustra las coordenadas finales que se obtuvier´on para cada software.
Estaci´on Latitud Longitud Altura elipsoidal
Leica
Leica
BOGA (Base) 4 ◦ 38’ 19.25558” N 74 ◦ 04’ 47.81809” W 2609.8967 m
GPSUD (M´ovil) 4 ◦ 36’ 50.63028” N 74 ◦ 03’ 48.71153” W 2704.9168 m
GPSTK aplicaci´on Vecsol BOGA (Base) 4 ◦ 38’ 19.23” N 74 ◦ 04’ 47.8” W
GPSTK aplicaci´on Vecsol GPSUD (M´ovil) 4 ◦ 36’ 50.68” N 74 ◦ 03’ 48.73” W
2613.1738 m
2707.0486 m
Cuadro 7: Resultado de post-proceso. Las anteriores coordenadas finales fueron el resultado de un procesamiento que us´o la soluci´on por fase (la cual utiliza fases portadoras de doble frecuencia) esto es posible debido a que la aplicaci´on Vecsol posee dos tipos de soluciones: la primera por fase y la segunda por medio del c´odigo P, de las cuales, se opt´o por escoger la soluci´on por fase, mediante el n´ umero uno estipulado como par´ametro en la opci´on obsMode que se encuentra en el fichero denominado vecsol.conf. Este tipo de soluci´on por fase utiliza procedimientos estad´ısticos para identificar y remover los valores at´ıpicos en el estudio de los residuales mediante las diferencias triples en forma autom´atica. Esta caracter´ıstica de la aplicaci´on Vecsol se evidenci´o en el paso a paso del procesamiento, en el cual no necesit´o definir los tramos de la seal receptada que posiblemente pueda afectar en forma perjudicial el procesamiento. Para el software Leica se utiliz´o un procesamiento con soluci´on por fase haciendo uso de su interfaz gr´afica, por medio de la cual tambi´oen se utiliz´o para asignar la informaci´on que era perjudicial para el an´alisis o tambi´en considerados como valores at´ıpicos en el an´alisis de los residuales. Para realizar la comparaci´on correspondiente entre las coordenadas finales resultantes del 16
procesamiento del software Leica y la aplicaci´on Vecsol, se deben de manejar en el mismo tipo de coordenadas, las cuales se decidieron manejar en coordenadas geogr´aficas. Las diferencias en las coordenadas geogr´aficas para la latitud y la longitud en el punto base y en el punto m´ovil son peque˜ nas, las cuales se presentan a nivel de cent´esimas de segundo, mientras que para las diferencias entre las alturas elipsoidales se presentan diferencias en el orden de metros.
Latitud Longitud Altura elipsoidal
Diferencias BOGA (Base) 0 ◦ 0’ 0.03” 0 ◦ 0’ 0.02” 3.2771 m
Diferencias GPSUD (M´ovil) 0 ◦ 0’ 0.05” 0 ◦ 0’ 0.02” 2.1318 m
Cuadro 8: Diferencias resultantes del post-proceso. Las diferencias presentadas en las coordenadas finales se deben a tres principales causas: 1. En el software Leica se removi´o manualmente los fragmentos de la se˜ nal que representaban valores at´ıpicos en los residuales, caso que no suced´ıa en el procesamiento con la aplicaci´on Vecsol, la cual remov´ıa dichos fragmentos utilizando m´etodos estad´ısticos, lo que le permit´ıa hacer este proceso en forma autom´atica. 2. En el procesamiento en el software Leica se inclu´ıan los offset de las antenas, mientras que para la aplicaci´on Vecsol no se inclu´ıan en el an´alisis, este tipo de diferencias en el procesamiento afectan principalmente a la coordenada correspondiente a la altura elipsoidal, lo cual sustenta el hecho de que las diferencias en altura sean en orden a los metros. 3. En la aplicaci´on Vecsol no se incluy´o en el procesamiento las coordenadas del punto base (BOGA) provenientes de SIRGAS, en el procesamiento interno que usa la aplicaci´on se utiliza coordenadas aproximadas proveniente de las efem´erides precisas para comenzar a realizar iteraciones sobre las mismas y ajustarlas con respecto a los dem´as procedimientos realizados. Considerando las peque˜ nas diferencias que tienen lugar las coordenadas geogr´aficas se puede evidenciar que la aplicaci´on Vecsol es una fuerte herramienta en el procesamiento de navegaci´on satelital. Se puede deducir que para tan poca informaci´on agregada en el procesamiento utilizando la aplicaci´on Vecsol, se presentan resultados muy favorables y en un menor tiempo de procesamiento.
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Conclusiones Las peque˜ nas diferencias presentantadas para la latitud y longitud demuestran el hecho de que la aplicacin Vecsol es robusta y eficiente, de acuerdo a que no necesita realizar mayores operaciones manuales para poder obtener resultados con una buena precisi´on. Las diferencias en metros para la altura elipsoidal de los puntos se deben principalmente a la falta de incluir los offset de las antenas en el procesamiento utilizando la aplicaci´on Vecsol y a la falta de informaci´on correspondiente a la altura instrumental que se tiene para cada punto. El procesamiento de los datos crudos sin incluir las coordenadas de la base BOGA (provenientes de SISGAS) utilizando la aplicacin Vecsol fue satisfactorio, porque se obtuvieron coordenadas finales muy semejantes a las obtenidas por el software Leica, en el cual si se tomaron en cuenta las coordenadas del punto base. Se logr comprovar que la interfaz grafica de Leica permite un mayor dinamismo en el procesamiento, pero requiere una mayor cantidad de pasos para poder realizar un buen procesamiento de los datos. Caso contrario sucede con la aplicacin Vecsol, la cual realiza un buen procesamiento con una menor cantidad de pasos, la desventaja comparativa es no poseer una interfas grafica y requerir de conocimientos basicos de programacin para poder proporcionar los ficheros iniciales y ejecutar la aplicacin. Se evidenci´o en la practica lo dicho en la teoria con respecto a que al presentar una mayor cantidad de sat´elites que se encuentren por encima del horizonte con angulos de elevaci´on mayores a los 40 grados generalmente presentan una buena geometr´ıa (PDOP menor a 4).
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Bibliograf´ıa ´ n Interdepartamental de Estad´ıstica y Cartograf´ıa de Anda[1] Comisio ´ lucıa,Posicionamiento GNSS,((Observaci´on y procesamiento GNSS)) p´ags. 15-17, 2011. [2] GPSTK,((A Users Guide for Scientists, Engineers and Students)),vecsol,p´ag. 107–112, 2012. [3] Melvin Hoyer,((Conceptos b´asicos de posicionamiento GNSS en tiempo real )),Procedimientos observacionales GNSS,p´ag. 1–2, N.A.. ´ l Pa ´ ez Gime ´nez,((Introducci´on a los GNSS)),M´etodos de posicionamiento,p´ag. 1–2, [4] Rau N.A.. [5] Wener Gurtner, Lou Estey,((RINES)),The Receiver Independent Exchange Format,p´ag. 5, 2007.
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