Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický, v.v.i. Geodetická observatoř Pecný __________________________________________________________________________________
Permanentní GNSS stanice pro sledování systému QZSS – pro projekt JAXA – MGM Dokumentace funkčního vzorku
Jakub Kostelecký
Popisovaný funkční vzorek byl vytvořen s finanční podporou Technologické agentury, program BETA, v rámci projektu TB01CUZK006 „Implementace národní geodetické infrastruktury pro výzkumné a vývojové potřeby v českém rezortu zeměměřictví a katastru a v rámci mezinárodního projektu „Globální geodetický observační systém“ (GGOS)“.
__________________________________________________________________________________ Ondřejov, červen 2013
Úvod Popisovaný funkční vzorek vznikl v rámci rozšíření fundamentální GNSS stanice Pecný o observace navigačního systému QZSS, který byl realizován v rámci projektu TB01CUZK006 „Implementace národní geodetické infrastruktury pro výzkumné a vývojové potřeby v českém rezortu zeměměřictví a katastru a v rámci mezinárodního projektu „Globální geodetický observační systém“ (GGOS)“ programu BETA Technologické agentury České republiky, jehož gestorem je Český úřad zeměměřický a katastrální. Cílem je zřídit na Geodetické observatoři Pecný permanentní GNSS stanici, která bude schopna pořizovat měření z navigačních systémů GPS NAVSTAR, GLONASS, Galileo, SBAS a nového systému QZSS a odesílat je do datových center projektů M-GEX a MGM.
Projekt MGEX Projekt MGEX (Multi-GNSS Experiment) byl vyhlášen v polovině roku 2011 Mezinárodní GNSS službou (International GNSS Service – IGS) pro zřízení experimentální sítě permanentních GNSS stanic, které budou uzpůsobeny pro pořizování dat z nových navigačních systémů – především Galileo, ale též systém QZSS (Japonsko) a systém BeiDou (Čína) – a bude vytvořen a otestován přenos nových dat pomocí nové verze formátu RINEX (Receiver Independent EXchange) 3.00 nebo 3.01.
Projekt MGM network Projekt MGM network (Multi-GNSS Monitoring Network) byl též vyhlášen v roce 2011 Japonskou kosmickou agenturou JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) s dvěma hlavními cíly: - zlepšit přesnost určování přesné dráhy a korekcí hodin pro Japonský doplňkový navigační systém QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), - rozšířit stávající přesné určování dráhy družic GPS NAVSTAR a QZSS též na další nově vznikající navigační systémy a generování korekcí chyb a informací o integritě, které jsou vysílány systémem QZSS. JAXA v rámci projektu plánuje zřízení 60 pozemních stanic, z toho 20 v regionu Asie a Pacifiku a 40 stanic po celé zeměkouli, které budou zařazeny též do projektu M-GEX. VÚGTK, v.v.i. kladně zareagoval na výzvu k umístění stanice a JAXA jeho nabídku akceptovala. V rámci akce JAXA dodala na Geodetickou observatoř Pecný v Ondřejově přijímač JAVAD schopný přijímat signály navigačních systémů GPS NAVSTAR, GLONASS, Galileo, SBAS a QZSS. VÚGTK, v.v.i. zajišťuje provoz přijímače, jeho připojení do internetu a dohled nad odesíláním real-time dat do JAXA. Odesílání post-procesing dat z přijímače do projektu M-GEX musí zajistit VÚGTK, v.v.i. a je to důvodem pro realizaci tohoto funkčního vzorku.
Řešený problém 2
Dosavadní permanentní GNSS stanice GOPE stejně jako dalších 8 stanic Výzkumné a experimentální sítě pro observace s GNSS – VESOG, které jsou spravovány operačním centrem na Geodetické observatoři Pecný – poskytuje data podle schématu na obr. 1.
Obr. 1 – schéma získávání a odesílání dat s využitím staničního počítače Při této konfiguraci je přijímač připojen ke staničnímu počítači. GNSS přijímač je ovládán pomocí firemního software, který je spuštěn na staničním počítači, a naměřená data v reálném čase posílá přijímač do firemního software, který zajišťuje jejich uložení do souborů na disk. Dále je na staničním počítači instalován software AUTOGEN, který je spouštěn operačním systémem Windows ve stanovených intervalech a který data uložená v souborech na disku konvertuje do formátu RINEX verze 2.11 pomocí interní procedury OBSRINEX. K datům ve formátu RINEX jsou připojena meteorologická data konvertovaná do formátu Meteo RINEX, která byla získána stažením souborů z meteo počítače, kde vznikají z měření meteorologických čidel ukládaných do souborů pomocí software LOGSENS. Připravené soubory ve formě balíčku RINEX 2.11 zašle staniční počítač pomocí protokolu FTP či SCP na server operačního centra. Přijatý balíček dat je pomocí programu PMAINDAT spouštěného v pravidelných intervalech operačním systémem Linux rozdělen na jednotlivé RINEXy, je provedena kontrola úplnosti a pomocí interní procedury OBSRINEX jsou vytvořeny nové soubory ve formátu RINEX, které jsou specifické podle toho, do jakého datového centra resp. do které služby/projektu jsou následně zaslány – např. do Permanentní sítě EUREF jsou zasílány Compact RINEX soubory s intervalem záznamu 30 sekund, které jsou komprimované pomocí programu compress a mají pojmenování stanovené předpisem IGS, kdežto např. do sítě CZEPOS jsou zasílány RINEX soubory 3
s intervalem záznamu 1 sekunda, které jsou komprimované pomocí programu PKZIP a jsou pojmenované dle zvyklostí sítě CZEPOS. Pro zapojení přijímače JAVAD zapůjčeného JAXA do IGS projektu MGEX je potřeba realizovat několik odlišností od zavedené konfigurace: a) GNSS přijímač je schopen přijímat i signály družic QZSS a Galileo. b) GNSS přijímač je schopen vytvářet hodinové soubory binárních dat, které lze pomocí protokolu FTP stahovat z FTP serveru v přijímači. c) Pro vytváření souborů o délce 15 minut je nutno provádět real-time záznam binárních dat z přijímače pomocí JAVAD software NetView. d) Soubory v binárním formátu je nutno konvertovat do formátu RINEX 3.01.
Popis funkčního vzorku Funkční vzorek permanentní GNSS stanice pro projekt MGM network je realizace permanentní GNSS stanice s přihlédnutím k odlišnostem od zavedené konfigurace. Konfigurace permanentní GNSS stanice pro projekty MGM network a MGEX je na obr. 2.
Obr. 2 – schéma získávání a odesílání dat z přijímače JAVAD GNSS přijímač jednak v reálném čase komunikuje s firemním software NetView na staničním počítači, čímž se vytvářejí 15minutové soubory binárních dat s intervalem záznamu 1 sekunda. Dále GNSS přijímač vytváří v interní paměti hodinové soubory binárních dat, které v pravidelných intervalech stahuje program AUTOREC na staniční počítač pomocí FTP relace, při které se připojí na FTP server v přijímači. 4
Na staničním počítači je v každou celou hodinu spouštěn program AUTOREC, který stahuje data z přijímače a každých 15minut je spouštěn program AUTOGEN, který zpracovává binární data (jak ta stažená z přijímače, tak ta získaná programem NetView). Spouštění ve stanoveném čase zajišťuje program MYCRON. Po spuštění jsou binární data převedena pomocí firemního programu jps2rin do formátu RINEX verze 3.01. Převedená data jsou pak pomocí interní procedury OBSRINEX, která byla modifikována pro práci i s daty Galileo a QZSS, zabalena do balíčku pomocí programu BALRNX a pomocí programu METRNX je vytvořen soubor meteorologických dat ve formátu MeteoRINEX. Balíček dat je následně zaslán do operačního centra. V operačním centru jsou balíčky dat zpracovány periodicky spouštěným programem PMAINDAT, který pro manipulaci s daty ve formátu RINEX používá proceduru OBSRINEX. Ta byla rozšířena, aby byla schopna zpracovávat i data z navigačních systémů Galileo a QZSS a provádí ředění dat (z intervalu záznamu 1 sekunda připraví dat v intervalu záznamu např. 30 sekund), převod na formát RINEX 2.11 a tvorbu více výstupních souborů s různými parametry. Program PMAINDAT spolu s podřízenými programy následně zajišťuje odeslání dat do několika datových center projektu MGEX. Všechny programy byly upraveny pro manipulaci i s novými soubory z navigačních systémů Galileo a QZSS.
Dokumentace realizace Tato část popisuje detaily realizovaného funkčního vzorku. Pro pořizování dat v projektu MGM network a pro zapojení do projektu MGEX byl v roce 2012 zapůjčen Japonskou kosmickou agenturou JAXA GNSS přijímač JAVAD DELTA G3T v.č. 723 – viz obr. 3. Anténa Leica AR25 rev. 4 v.č. 725071 se sférickým krytem LEIT a s individuálně určenými absolutními polohami fázových center firmou Geo++ ze dne 6.6.2011 – viz obr. 4 – byla pořízena pro stanici GOP6, která pozoruje v rámci projektu MGEX družice navigačního systému Galileo. Přijímač JAVAD je na tuto anténu připojen přes dělič signálu.
5
Obr. 3 – přijímač JAVAD DELTA G3T Anténa je umístěna na západní nucené centraci na jižním pilíři na střeše hlavní budovy Geodetické observatoře Pecný – viz obr. 4. V rámci IGS projektu MGEX je stanice označena kódem GOP7, v rámci JAXA projektu MGM network je stanice označena kódem GOP6M. Anténa je spojena s přijímačem pomocí vysokofrekvenčního kabelu o délce 30 m. Signál je dále veden přes dělič signálu, což umožňuje k anténě připojit další GNSS přijímače – zejména přijímač na stanici GOP6. Konstrukce antény a její předzesilovač umožňuje přijímat signály následujících navigačních systémů: - GPS NAVSTAR na frekvencích L1, L2 a L5, - GLONASS na frekvencích L1 a L2, - Galileo na frekvencích E1, E5a, E5b a AltBOC, - SBAS na frekvencích L1 a L5, - QZSS na frekvencích L1 a L5, - BeiDou na dvou frekvencích.
6
Obr. 4 – anténa Leica AR25 rev. 4 se sférickým krytem LEIT na stanici GOP6/GOP7 Přijímač je napájen přes zdroj ze zálohovaného přívodu elektrické energie. Přijímač je dále připojen do chráněné (proxy) lokální počítačové sítě observatoře. Nastavování přijímače a kontrola měření je prováděna pomocí firemního software NetView, který se k přijímači připojuje buď po sériové lince, nebo přes USB. Přijímač zpracovává signály navigačních systémů: - GPS NAVSTAR na frekvencích L1, L2 a L5, - GLONASS na frekvencích L1 a L2, - Galileo na frekvencích E1 a E5a, - SBAS na frekvenci L1 a L5, - QZSS na frekvencích L1, L2 a L5. Přijímač ukládá v interní paměti soubory v binárním formátu JPS s intervalem záznamu 1 sekunda a délkou 1 hodina a posílá po sériové lince do real-time logging modulu v software NetView binární data, která se ukládají v binárním formátu JPS s intervalem záznamu 1 sekunda do souborů o délce 15 minut. Dále přijímač vytváří real-time data v interním formátu, které jsou odesílány přes Ethernet připojení přijímače do Internetu a na server Japonské kosmické agentury JAXA. Post-procesing data ukládaná do interní paměti přijímače jsou stahována přes Ethernet připojení pomocí FTP relace napojené na FTP server přijímače a ovládané programem AUTOREC běžícím na staničním počítači. Na staničním počítati se tedy hromadí dva typy post-procesing dat v binárním formátu – jedny soubory mají délku 1 hodina, druhé soubory mají délku 15 minut. Jejich další zpracování a odeslání zajišťuje program AUTOGEN, který je spouštěn programem MYCRON každých 15 minut. Nové (právě stažené resp. uložené) binární soubory převede pomocí firemního programu jps2rin do formátu RINEX verze 7
3.01 včetně navigačních souborů ve formátu RINEX. Pomocí programu METRNX k nim připojí meteorologická data ve formátu MeteoRINEX a získaný zazipovaný balíček post-procesing dat odešle na server gopoc operačního centra GOP. Souběžně jsou odesílány na server operačního centra i zazipované balíčky binárních dat a na konci dne je vytvářen a odesílán balíček denních dat vzniklý spojením hodinových souborů. Post-procesing soubory jsou na serveru operačního centra dále zpracovávány. Soubory binárních dat jsou připraveny k archivování. Soubory ve formátu RINEX 3.01 jsou pomocí programu PMAINDAT rozbaleny. Z 15 minutových souborů jsou vytvořeny dva typy výstupů: - soubor ve formátu RINEX 2.11 s intervalem záznamu 1 sekunda, - soubor ve formátu RINEX 3.01 s intervalem záznamu 1 sekunda. Ze souborů s délkou 1 hodina vznikají tři typy výstupů: - soubor ve formátu RINEX 2.11 s intervalem záznamu 30 sekund, - soubor ve formátu RINEX 2.11 s intervalem záznamu 1 sekunda, který slouží pro archivaci, - soubor ve formátu RINEX 3.01 s intervalem záznamu 30 sekund. Celodenní soubory jsou používány pro vznik dvou typů výstupů: - soubor ve formátu RINEX 2.11 s intervalem záznamu 30 sekund, - soubor ve formátu RINEX 3.01 s intervalem záznamu 30 sekund. Vytvořené soubory jsou odesílány do datových center projektu MGEX. Pro stanici GOP7 byla přiřazena tři datová centra: 1) CDDIS, NASA, USA, kam jsou zasílány denní, hodinové a 15 minutové soubory ve formátu RINEX 3.01, 2) BKG, Frankfurt n.M., Německo, kam jsou zasílány denní, hodinové a 15 minutové soubory ve formátu RINEX 3.01, 3) IGN, Paříž, Francie, kam jsou zasílány denní, hodinové a 15 minutové soubory ve formátu RINEX 3.01 a do jiného adresáře též denní, hodinové a 15 minutové soubory ve formátu RINEX 2.11 Celodenní soubory ve formátu RINEX 2.11 s intervalem záznamu 30 sekund jsou ještě zasílány do datového centra GOP na Geodetické observatoři Pecný a též jsou archivovány. Tok real-time dat z přijímače JAVAD DELTA G3T je zcela řízen Japonskou kosmickou agenturou JAXA. Tento dokument nemůže o něm podat více informací.
Závěr Realizací funkčního vzorku podle požadavků projektů MGM network a MGEX byly splněny požadavky pro zařazení stanice GOP7 do projektu Japonské kosmické agentury (JAXA) MGM network a do projektu Mezinárodní GNSS služby (IGS) MGEX. Vzorek byl vyzkoušen během provozu stanice GOP7 od února do června 2013, zkouška proběhla bez funkčních závad. Jediným problémem, který ovlivňuje odesílání dat, je nepravidelný občasný výpadek programu MYCRON, který zajišťuje spouštění dalších programů AUTOREC a AUTOGEN. 8
Funkční vzorek zajišťuje měření signálů nového navigačního systému QZSS na Geodetické observatoři Pecný pomocí zapůjčené GNSS aparatury JAVAD DELTA G3T a upravené balíky programů AUTOGEN a PMAINDAT – zejména interní procedura OBSRINEX – ve kterých je zajištěna podpora práce se soubory z nových navigačních družicových systémů Galileo a zejména QZSS včetně konverze dat z formátu RINEX 3.01 na formát RINEX 2.10.
9
