Jan Ryszawy
Institut geoinformatiky
VŠB-Technická univerzita Ostrava
Adresa sídla
E – mail: jan.ryszawy.hgf@vsb.cz
This thesis treats of an overview of used GPS signal to descibe troposphere parameters such as water vapor content for numerical weather prediction application. This thesis consist of two main parts. In the first part are described principles of using GPS signal for water vapor estimation and overview of existing projects in this filed of research. Second part consist of NASA JPL’s GIPSY OASIS II software description and GPS data processing for to get zenith wet delay parameters which are dependent of content of water vapor in troposphere.
Tato práce se zabývá využítím signálu GPS pro měření parametrů troposféry, jako například obsah vodních par, pro podporu numerických předpovědí počasí. Tato práce má dvě části. V první jsou popsány principy použítí GPS signálu pro odhad obsahu vodních par a přehled projektů které se touto problematikou zabývají. Ve druhé části je popsáno programové prostředí programového balíku GIPSY OASIS II, vyvinutého na Jet Propulsion Laboratory California, a způsob použití tohoto nástroje pro získání hodnot „zpoždění signálu vlivem mokré složky troposféry“, které přímo souvisí s obsahem vodních par.
Lidským snem bylo odjakživa kromě létání a nesmrtelnosti dokázat ovládat počasí. Bohužel nebo spíše snad bohudík je lidstvo schopno zatím jen počasí pozorovat a analyzovat a díky tomu i s určitou mírou nepřesnosti předpovídat. K tomu jsou v posledních desetiletích využívány i technologie dálkového průzkumu Země, konkrétně pak družicové systémy. Většina z nás již viděla družicové snímky vývoje oblačnosti nebo radarová data vývoje srážek kupříkladu nad celou Evropou. I toto je však stále nedostačující pro přesnější předpovědi chování počasí jak pro konkrétní oblast atmosféry, tak i pro sledování globálních změn. Hledají se tedy nové metody jak získávat přesnější informace o atmosféře i z jiných než tradičních zdrojů. Jednou z možností je využití signálů družicového systému NAVSTAR, známějšího širší veřejnosti pod názvem GPS. Z průběhu signálu primárně určeného pro určení polohy na povrchu Země lze získat díky známým zkreslením, ke kterým při průchodu atmosférou dochází, i další informace, mezi jinými i podíl zpoždění signálu vlivem obsahu vodních par ve spodních vrstvách atmosféry. S rozvojem evropského projektu Galileo se otevírá možnost použít pro zpracování informací i signály tohoto navigačního systému. Výhodou této metody sledování parametrů atmosféry je do jisté míry již vybudovaná infrastruktura pozemních přijímacích referenčních stanic a velké množství dostupných služeb a datových zdrojů, původně určených pro civilní i komerční sektor
Obsah vodních par je jedním z nejdůležitějších ukazatelů projevu troposféry. Je základní složkou přenosu energie a jedním z hlavních činitelů, který ovlivňuje počasí. I přes tuto důležitost je tento parametr díky své časové a prostorové variabilitě stále v rámci meteorologie jedním z nejhůře popsaných. Zpřesnění informací o obsahu vodních par v troposféře je nutnou podmínkou pro přesnější numerické modely vývoje počasí a další výzkum chování atmosféry v lokálním i globálním měřítku. Vodní pára v troposféře je také díky svým vlastnostem skleníkovým plynem a tudíž zpřesněním informací o této složce atmosféry je možné modelovat i změny troposféry v globálním dlouhodobém měřítku, což může přispět ke zkoumání podílu a rozsahu lidské činnosti na globální změny troposféry. Ať už v měřítku místním nebo globálním je pro další výzkum atmosféry a počasí nutné nalézt metody, které dokáží přinést přesné informace o obsahu vodních par v atmosféře a díky dynamice vývoje sledovaného parametru je nutné tyto informace sledovat v co nejkratších časových intervalech v RT nebo NRT režimu.
Obecně existuje vícero způsobů získání parametrů z analýzy signálu GPS. První je pomocí přijímačů umístěných na družicích viz a druhý pomocí sítě pozemních referenčních stanic.K získání dat použijeme známého zpoždění signálu, které získáme díky měření na referenční pozemní stanici. Vliv zpoždění signálu vlivem refrakce v ionosféře lze odstranit pomocí fázových měření na dvou nosných frekvencích L1 a L2 jejich lineární kombinací s jejich tzv. zdánlivou vzdáleností P1 a P2 (angl. pseudo range) přijímače od družice. Hodnoty P1 a P2 dostaneme násobením časového rozdílu mezi odesláním a přijetím signálu s rychlostí šíření nosné vlny.Následující vzorce jsou odvozeny pro výpočet zpoždění na základě integrace refraktivity (tj. indexu lomu zmenšeného o 1) podél trasy paprsku. Refraktivita se vyjadřuje jako funkce základních meteorologických parametrů (teplota, tlak, vlhkost.)
Celým názvem GPS-Inferred Positioning SYstem and Orbit Analysis SImulation Software (GOA) byl vyvinut v spolupráci s NASA na California Institute of Technology Jet Propulsion Laboratory. Systém je určen pro platformy Linux, HP serie 9000/700 a SUN workstation.
Možnosti GOA:
Přesné modelování a výpočty oběžných drah jednotlivých kosmických zařízení i celých konstelací satelitů,modelování oběžných drah i pro jiné než GPS systémy, přesné určování polohy a času,výkonné filtry, možnosti automatického neřízeného zpracování dat, NRT režim (výpočty v pseudo reálném čase), RT režim (výpočty v reálném čase), pokročilé vyhodnocování chyb. Simulace Přijímače i vysílače mohou být na zemi i na družicíchSpeciální možnosti:
Pokročilé a přesné modely pro gravitační odchylky pro Zemi, vliv gravitace Slunce, Měsíce a dalších planet. Geometrické modely pro pohyb a polohu země, příliv, pohyb zemské kůry, GPS orbitální model. Filtry pro „inteligentní“ nalezení a opravu nebo odstranění chyb v datech, pokročilé flexibilní modelování šumu a mnohé další.Filozofie GOA
GOA je modulární aplikace. Jednotlivé moduly lze používat nezávisle na sobě. Každý z modulů ma několik typů vstupních parametrů a souborů. Specialitou GOA je vstupní soubor typu *.nml, který může obsahovat velké množství parametrů, ovlivňujících konečnou podobu výstupu/ů modulu. Většina modulů pracuje pouze se vstupy, které jsou výstupy jiného modulu GOA, jak je patrné z datového toku, který je zobrazen dále. Součástí GOA je dále rozsáhlá knihovna modelů a doplňujících skriptů. GOA je rozsáhlý sytém modulů a skriptů s velkým množstvím možností použití. Popis veškerých součástí a možností by byl velice náročný, a proto jsem se ve své práci zaměřil jen na popis nejdůležitějších částí nutných pro získaní ZTD hodnot.
Mail-in service
Uživatelsky nejméně náročná možnost práce s GOA. Pro tento režim je také používán název Automated GIPSY (AG). Pro použití této služby není nutná instalace GOA, ani znalost jeho použití. Výměna dat probíhá pomocí elektronické pošty. Uživatel odešle do JPL elektronickou poštou zprávu s FTP adresou, kde se nacházejí data ve formátu RINEX. Data jsou zpracována v JPL a elektronickou poštou je vrácena zpráva s FTP adresou s uloženými výsledky ve formátu dle specifikace JPL. Tento režim má omezené možnosti použití. Je většinou využíván pro přesné určování polohy pomocí korekcí a filtrů. Uživatel nemá možnost zvolit postup, jakým budou data zpracována, ani ovlivnit další nastavení parametrů.GIPSY GUI
V GOA existuje grafické uživatelské rozhraní (Graphics User Interface) kde jednotlivé přednastavené skripty obsahují operace prováděné automatickým sledem příkazů. Pro tento způsob práce s GOA je nutná instalace, ale není nutná podrobná znalost modulů, příkazů a prostředí GOA. U uživatele se předpokládá orientace v problematice, která je nutná pro identifikaci vhodného skriptu a dalších vstupních parametrů. Je rovněž nutná zkušenost práce s GOA v grafickém módu a pochopení filosofie práce v GOA. Možnosti jsou opět omezené počtem a vlastnostmi skriptů.GIPSY
Pro použití tohoto režimu dříve nazývaného XT-GIPSY, je nutná znalost modulů a příkazů GOA. Oprace se provádějí pomocí příkazů z příkazové řádky a textových souborů tzv. „namelist file“ ve fromátu *.nml obsahujících parametry pro zpracování a posloupnosti operací, které budou nad daty prováděny. Každý z modulů má vlastní sadu příkazů. Tento způsob umožňuje uživateli pružněji pracovat s daty a provádět jen takové operace, které jsou nezbytné pro dosažení požadovaných výsledků. V každém z modulů je možné nastavit velké množství parametrů právě díky použití konfiguračních souborů ve formátu *.nml. GOA se ve své podstatě skládá ze sady dílčích procedur, spouštěných příkazy z příkazové řádky, jejichž vstupní hodnoty vstupují buďto udáním parametrů v těle příkazu, nebo v podobě dalších vstupních souborů, které mohou například obsahovat přesné orbitální dráhy, hodnoty pohybu zemské kůry a další široké spektrum hodnot a údajů. V rámci vstupních souborů mohou být taktéž volány další procedury vlastního GOA.GISY SCRIPTS
Skripty tvořené sadou operací. Vhodné pro dávkové zpracování a RT (Real Tme) a NRT (Near Real Time) GOA režimy. Uživatel definuje posloupnost provádění příkazů. Je možnost definovat i logiku včetně podmínek a cyklů. V případě skriptů jsou již všechny parametry, včetně vstupních souborů, předdefinovány uživatelem a je nutné zajistit pouze aktualizaci těch dat, které se mění v čase, tedy především aktuální oběžné dráhy, meteorologické zprávy a samozřejmě i data GPS.V následujícím diagramu toku dat je graficky znázorněn postup zpracování dat z přijímací stanice VSBO, která je provozována institutem Geoinformatiky na VŠB-TUO. Data jsou získána dne 30. 1. 2005 mezi 23:00 a 23:59 hod.
V programovém balíku GOA jsem zvládl problematiku získání hodnot zpoždění signálu vlivem troposféry. GOA však nabízí uživateli mnohem více. Popis a zvládnutí všech dostupných funkcí GOA by bylo na rámec této práce. Možnosti použití tohoto programového vybavení jsou vskutku úctyhodné. Předpokládám že ani autoři tohoto programu nepředpokládali u uživatelů kompletní znalost všech modulů a funkcí, ale spíše využití jen těch možností, které vedou k dosažení požadovaných výsledků. GOA je díky obrovskému množství možných vstupních parametrů, přesným modelům a pokročilým metodám zpracování dat používán předními vědeckými institucemi na celém světě. Jeho použití je možné napříč mnoha vědeckými obory. Bohužel jsem nemohl z časových důvodů zvládnout zpracování dat V RT a NRT režimu, protože právě tyto režimy jsou například schopné popisovat i dynamické děje v troposféře. Věřím, že jsem vytvořil kvalitní základ pro příští využití GOA na institutu Geoinformatiky právě v těchto režimech. Úkolem příští práce, nebo i prací, pak bude zvládnout právě zpracování dat v reálném čase a zpřístupnění získaných parametrů pro další zpracování, například v podobě dostupných hodinových souborů. Z předpokladu vzniku kvalitní globální sítě pozemních přijímacích stanic produkujících troposférické parametry, vzniku metodiky pro zpracování extrémního množství dat, dalšího vývoje kapacity výpočetní techniky a optimálního využití všech dostupných systémů kosmického segmentu, se dá v budoucnu předpokládat možnost existence globálního vysoce přesného numerického modelu pro sledování atmosférických dějů na naší planetě.