pdf Zobacz recenzje - Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji

Dr hab. inż. Paweł Wielgosz, prof. UWM
Instytut Geodezji
Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Olsztyn, 7.02.2016r.
Recenzja rozprawy doktorskiej
Pana mgr inż. Grzegorza Nykiela
pt. „Metodyka absolutnego pozycjonowania z wykorzystaniem fazowych
obserwacji GPS i Galileo”
Podstawą formalną recenzji jest pismo Pana Dziekana Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji
Wojskowej Akademii Technicznej z dnia 7 stycznia 2016 r.
Przedstawiona rozprawa doktorska dotyczy popularnej obecnie tematyki badań związanych z
rozwojem algorytmów do precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego z wykorzystaniem
obserwacji globalnych systemów pozycjonowania satelitarnego GNSS. Autor rozprawy skupił
się na algorytmach do precyzyjnego pozycjonowania absolutnego – PPP – w trybie statycznym,
wykorzystującym przy tym obserwacje systemów GPS oraz Galileo.
Rozprawa liczy 108 stron i składa się ze wstępu, czterech rozdziałów opisujących istniejący
stan wiedzy, dwóch rozdziałów przedstawiające badania własne doktoranta oraz
podsumowania i wniosków, a także z pięciu
załączników. W głównej części pracy
przestawiono 41 rysunków i 15 tabel, w dodatkach kolejne 43 rysunki i 2 tabele. Spis literatury
zawiera 79 pozycji, wszystkie w języku angielskim.
We wstępie pracy autor podaje rys historyczny budowy systemów GPS i Galileo, przybliża
metodę PPP (precise point positioning) oraz definiuje cel pracy, którym jest „przedstawienie
autorskiej metody PPP bazującej na obserwacjach fazowych pojedynczych różnic między
satelitami systemów GPS oraz Galileo w postaci kombinacji liniowych wide-lane oraz narrowlane”. Ponadto autor stawia tezę, że „pojedyncze różnice między satelitami, a także
kombinacje liniowe wide-lane oraz narrow-lane obserwacji fazowych GPS i Galileo mogą
stanowić efektywną metodę do estymacji pozycji oraz opóźnienia troposferycznego, a także
pozwalają zmniejszyć czas zbieżności rozwiązania w stosunku do metod bazujących tylko na
kombinacji ionosphere-free”. Cel pracy jest ambitny, choć trochę niefortunne jest
sformułowanie „obserwacje fazowe pojedynczych różnic” zamiast „pojedyncze różnice
obserwacji fazowych”.
W części przedstawiającej rys historyczny autor nie ustrzegł się pewnych błędów,
merytorycznych jak i edytorskich, np.:
- podaje, że pierwsze prace koncepcyjne nad systemem GPS rozpoczęto w 1973 roku, podczas
gdy prace te rozpoczęły się 10 lat wcześniej (program 621B),
- od początku projektowania i budowy GPS był systemem „dual-use” – wojskowy i cywilny, a
nie jak podaje autor tylko wojskowy, gdyż już pierwszy satelita testowy (1978 r.) generował
kod C/A oraz w tym celu był finansowany częściowo ze środków cywilnych (DoT),
- w roku 1988 było już na orbicie kilka satelitów GLONASS, a autor podaje, że w tym roku
dopiero rozpoczęto pracę nad tym systemem,
- w opisie autor stwierdza, że system BDS będzie składał się z 30 MEO + 5 GEO satelitów, a w
tabeli 1.1 podaje ich 27, w rzeczywistości będzie to 27 MEO + 3 IGSO + 5 GEO,
- system QSZZ składa się obecnie (2016) tylko z jednego satelity, a docelowa liczba ma wynieść
cztery (w tym jeden geostacjonarny), autor zaś podaje, że system składa się z trzech satelitów,
- w technice RTK proces obliczeniowy przeprowadza odbiornik, a nie kontroler, którego
zadaniem jest jedynie prezentacja wyników tych obliczeń oraz sterowanie odbiornikiem,
- dyskusyjna jest także kwestia czy rozwiązanie PPP jest łatwiejsze niż RTK.
Recenzentowi brakuje tu nadal szerszego omówienia współczesnych metod PPP-RTK
opracowanych po 2008 roku, autor przedstawił te metody w zaledwie 3 zdaniach. Większość
powyższych uwag zostało już przedstawionych w recenzji do poprzedniej wersji pracy i
najwyraźniej doktorant ich nie uwzględnił w obecnej wersji.
W krótkim rozdziale 2 doktorant omawia strukturę sygnałów systemów GPS oraz Galileo.
Prezentuje klasyczne sygnały systemu GPS oraz nowe sygnały nadawane przez satelity
zmodernizowanych bloków, omawia ich własności. Następnie omawia sygnały systemu
Galileo, prezentując ich widmo oraz własności. Podsumowanie charakterystyk sygnałów obu
systemów zaprezentował w Tabeli 2.1 umieszczonej na końcu rozdziału.
Uwagi:
- autor podaję, że zmodernizowany sygnał GPS L5 wprowadzono w 2005 roku wraz z satelitami
bloku II-F, a chwile później twierdzi, że pierwszy satelita tego bloku został wystrzelony w maju
2010,
- zupełnie pominięto najciekawszy sygnał systemu Galileo – E5 AltBOC.
Rozdział 3 zawiera omówienie równań obserwacyjnych obserwacji GNSS. Doktorant
przedstawia tu równania obserwacyjne pomiarów pseudoodległości oraz pomiarów fazowych,
następnie omawia rodzaje różnicowania obserwacji, skupiając się na pojedynczych różnicach
pomiędzy satelitami, które wykorzystał w zaproponowanym przez siebie modelu precyzyjnego
pozycjonowania absolutnego. W dalszej części rozdziału przedstawia charakterystyki
popularnych kombinacji liniowych obserwacji GNSS, należy tu podkreślić, że doktorant
prawidłowo rozróżnił kombinacje liniowe obserwacji fazowych wyrażonych w cyklach oraz w
metrach, co jest wciąż przyczyną częstych błędów i nieporozumień. Ponadto wyznaczył i
zaprezentował parametry kombinacji linowych dla 2 wybranych częstotliwości systemu
Galileo (Tabela 3.1).
Uwagi do treści rozdziału:
- całkowitoliczbowe nieoznaczoności pomiarów fazowych w tekście oznaczone są literą N, a
we wzorach (np. 3.6) literą B,
- nie jest jasny charakter „ustawień początkowych oscylatora satelity” (wzór 3.6), wydaje się,
że autor miał namyśli opóźnienia sprzętowe obserwacji fazowych (strona 8), które to
skorelowane są z nieoznaczonościami, co znacząco utrudnia ich całkowitoliczbowe
wyznaczenie; także sformułowanie „początkowe wartości fazy oscylatora” wymaga
wyjaśnienia,
- nie jest jasne dlaczego autor konsekwentnie unika ujawniania w równaniach obserwacji
GNSS opóźnień sprzętowych, co w efekcie prowadzi do dość zaskakujących rezultatów jak
wzór 3.31, gdzie brak jest parametrów DCB, co jest pewnym błędem (jednocześnie parametry
te są wykorzystywane później w rozdziale 7.3).
W rozdziale 4 autor omawia błędy występujące w pozycjonowaniu GNSS. Na początku
doktorant przedstawia błędy związane parametrami orbit i zegarów satelitów GPS. Wspomina
o ważnym dla techniki PPP serwisie IGS-RTS udostepniającym precyzyjne produkty w czasie
rzeczywistym z interwałem 1 sekundy. Omawia również estymowaną dokładność dostępnych
produktów orbitalnych dla satelitów systemu Galileo, zawracając słusznie uwagę na fakt, że
brak jest obecnie oficjalnych produktów.
W dalszej części rozdziału autor przedstawia poprawki relatywistyczne i poprawki ze względu
na centra fazowe anten satelitów. Doktorant nie ustrzegł się tu drobny pomyłek, np. podając
PCO anten satelitów Galileo błędnie przypisuje takie same wartości wszystkim satelitom
systemu, choć wiadomo że satelity fazy IOV oraz FOC mają inną konstrukcję oraz wynikającą z
tego różnicę poprawki PCO rzędu 40 cm (s.28). Fakt ten mógł wpłynąć na wyniki
przedstawione w podrozdziale 7.1.2.
W podrozdziale 4.2 doktorant przedstawia błędy zależne od odbiornika, podaje tu na wykresie
ciekawy przykład dla anteny typu choke-ring. Dalej omawiany jest efekt phase wind-up oraz
tzw. „błędy początkowej fazy oscylatora” określane w literaturze częściej jako UPD
(uncalibrated phase delays), co znacznie lepiej oddaje ich charakter, gdyż wynikają właśnie z
opóźnienia sprzętowego (moim zdaniem nie są „początkowymi ustawieniami oscylatora”).
Słusznie zauważa, że jest to ważny problem w technice PPP wpływający na jakość wyznaczania
nieoznaczoności pomiarów fazowych.
W podrozdziale 4.3 omówione są błędy propagacji sygnału, począwszy od refrakcji
jonosferycznej, a kończąc na troposferycznej. Autor przedstawia zależności opóźnienia
sygnałów GNSS od parametrów tych ośrodków oraz stara się omówić metody eliminacji
wpływu opóźnienia atmosferycznego na wyniki pozycjonowania satelitarnego, w
szczególności metodą PPP.
Nieco zaskakująca jest definicja jonosfery jako warstwy, „w której wolne elektrony oraz
dodatnio
naładowane
jony
łączą
się
ze
sobą
pod
wpływem
oddziaływania
elektromagnetycznego”. Więc autor definiuje ten ośrodek poprzez proces, który powoduje
jego zanikanie. Recenzent preferuje klasyczną definicję jonosfery - poprzez proces jonizacji.
Omawiając metody eliminacji opóźnienia jonosferycznego w pomiarach GNSSS, doktorant
wymienia najbardziej efektywną (poprzez estymacje tego opóźnienia), ale już nie umieszcza
jej na rysunku 4.7.
Następnie doktorant omawia dosyć szczegółowo opóźnienie troposferyczne podając dla stacji
WAT przykład jego zmienności w ostatnich kilku latach.
W ostatnim podrozdziale w tej części pracy autor omawia błędy geofizyczne, takie jak pływy
skorupy ziemskiej, oceaniczne, parametry ruchu obrotowego Ziemi, kończąc na efekcie cycleslip. Należy podkreślić, że w algorytmie XPPP doktorant stosuje modele tych zjawisk zgodne z
aktualnie obowiązującym standardem IERS2010.
W rozdziale 5 autor przedstawia klasyczną metodę PPP przedstawioną w 1997 roku przez
Zumberge i in., a rozwiniętą w 2001 roku przez Kouba i Heroux. Opisuje równania
obserwacyjne modelu opartego na opracowaniu sygnału ionosphere-free, przedstawia
konstrukcje macierzy współczynników. W części opisującej istniejące algorytmy PPP omawia
klasyczne metody tego rozwiązania.
Na końcu tego rozdziału pokrótce doktorant wymienił współczesne metody PPP-RTK, w
których przeprowadza się wyznaczenie całkowitoliczbowych nieoznaczoności pomiarów
fazowych. W tej sekcji używa już określenia „opóźnienia sprzętowe dla satelitów”, zamiast
enigmatycznego „niezerowe ustawienia oscylatora”. W mojej ocenie sekcja dotycząca PPPRTK mogłaby być bardziej rozbudowana, gdyż dotyczy obecnego stanu wiedzy w technice PPP.
Rozdział 6 stanowi najważniejszą część rozprawy i zawiera przedstawienie autorskiej metody
doktoranta - XPPP zaimplementowanej we własnym oprogramowaniu GPES napisanym w
języku Python. Oprogramowanie to składa się z 3 głównych modułów: inicjalizacji, procesu
obliczeniowego i zapisu wyników. Przy czym moduł inicjalizacji odpowiedzialny jest za
wczytanie danych obserwacyjnych oraz szeregu produktów wspomagających precyzyjne
pozycjonowanie. Moduł ten obsługuje wiele popularnych i standardowych formatów danych.
Moduł zapisu wyników przygotowuje dosyć przejrzysty raport z obliczeń omówiony w
podrozdziale 6.3 i przedstawiony w całości w załączniku D.
Moduł procesu obliczeniowego zawiera implementację autorskiej metody XPPP. Doktorant
zaproponował tu zastosowanie kombinacji liniowej ionosphere-free dla pomiarów kodowych
oraz wide-lane i narrow-lane dla pomiarów fazowych w modelu BSSD. Prawidłowo uwzględnia
korelacje obserwacji wynikające z ich różnicowania, podaje równania obserwacyjne oraz
matematyczny model pozycjonowania. Zastanawiające jest dlaczego autor nie uwzględnia
powszechnie stosowanego wagowania obserwacji we względu na wysokość satelity nad
horyzontem (równania 6.14 i 6.15). Kolejne uwagi do przedstawionych równań:
- w równaniach obserwacyjnych 6.9 – 6.11 zastosowana jest taka sama poprawka chodu
zegara satelity, jednak jak wiadomo korekcje z pliku SP3/CLK dotyczą tylko kombinacji ionofree i stosując kombinacje wide-lane i narrow-lane należy (stosując dodatkowe produkty IGS)
korekcje te przeliczyć do odpowiednich kombinacji, a różnice te są znaczące,
- w równaniu 6.14 nie jest jasny parametr ns, który następnie znika w 6.15,
𝑟𝑒𝑓
- czym różnią się częstotliwości 𝑓1𝑠 𝑖 𝑓1
𝑟𝑒𝑓
oraz 𝑓2𝑠 i 𝑓2
? (taki zapis wskazuje na możliwość
różnicowania sygnałów o różnych częstotliwościach?),
- w równaniach od 6.2 do 6.6 autor używa oznaczenia BwL oraz BwL dla opisu pojedynczych
różnic nieoznaczoności wide lane oraz narrow lane, zaś w równaniu 6.16 pojawiają się nowe
oznaczenia, a w 6.19 jeszcze inne, czy chodzi tu o ten sam parametr?,
- co ważniejsze, parametry I są wyznaczane łącznie z nieznacznościami (s.55), lecz doktorant
nie wprowadził nowego parametru zawierającego w sobie i nieoznaczoności i opóźnienie
jonosferyczne, co może powodować pewne nieporozumienia przy omawianiu dalszych
równań,
- pewnych wyjaśnień wymaga omówienie równania 6.20, doktorant stwierdza tu, że zmiana
opóźnienia jonosferycznego z epoki na epokę jest bliska zeru (wymusza zerowy szum procesu),
co w pewnych warunkach może być prawdą, to jednocześnie w przypadku wielokrotnie mniej
zmiennego ZTD szum procesu ustala na 1-5 mm/godzinę,
- równanie 6.22 jest dosyć zaskakujące, poproszę tu o wyjaśnienia dotyczące możliwości
wyznaczenia absolutnych wartości nieoznaczoności, np. jak w przypadku 7 satelitów mając do
dyspozycji 6 pojedynczych różnic nieoznaczoności można z powrotem wyznaczyć 7
absolutnych nieoznaczoności?, moim zdaniem taki układ równań ma nieskończenie wiele
rozwiązań (6 obserwacji i 7 niewiadomych).
Podsumowując tez rozdział, zaproponowany algorytm XPPP jest ciekawy, nie ma
odpowiednika w literaturze, jednak przed opublikowaniem pracy jego przedstawienie
wymaga pewnego uściślenia oznaczeń parametrów i opisów przedstawionych w pracy
równań.
Rozdział 7 zawiera omówienie wyników uzyskanych podczas testów numerycznych
przeprowadzonych na rzeczywistych danych obserwacyjnych z wykorzystaniem opracowanej
metody XPPP. Doktorant przedstawia analizy w kontekście wyznaczania współrzędnych oraz
opóźnienia troposferycznego.
Należy podkreślić, że badania
przeprowadzono na
rzeczywistych danych obserwacyjnych zebranych na pięciu stacjach GNSS sieci EPN – BRUX,
ENTZ, TLSE, STAS, CEBR – rozmieszczonych w różnych częściach Europy. Do analiz doktorant
wykorzystał dane zebrane w trzech sesjach 24-godzinnych w różnych okresach aktywności
jonosferycznej, począwszy od jonosfery spokojnej (7 stycznia 2015), a skończywszy na dwóch
najsilniejszych burzach geomagnetycznych, które miały miejsce w 2015 roku (17 marca i 23
czerwca 2015). Taki wybór danych testowych umożliwia przeprowadzenia analiz poprawności
implementacji modeli zjawisk geofizycznych oraz badania wpływu aktywności jonosfery na
wynik uzyskane algorytmem XPPP. Uzyskiwane współrzędne osiągają zbieżność w okresie od
1 do 3 godzin, a rozwiązania z 24 godzin prezentują bardzo dobrą dokładność, w granicach
kilku milimetrów od rozwiązania referencyjnego EPN. W rozprawie doktorant zwarł
szczegółowe analizy otrzymanych współrzędnych. W celu weryfikacji wyników autor
przedstawił wyniki wykorzystujące standardowe podejście oparte na kombinacji iono-free.
Różnice współrzędnych w stosunku do nowej metody z opracowania sesji 24-godzinnych nie
przekraczają 1 mm.
Bardzo interesujące wyniki dotyczące czasu inicjalizacji (uzyskania zbieżności rozwiązania)
przedstawiono w podrozdziale 7.1.1. Autor wykazał, że metoda XPPP pozwala skrócić ten czas
o około 20% w stosunku do metody iono-free, co jest znaczącym wynikiem.
W dalszych testach (podrozdział 7.1.2) doktorant podjął próbę zastosowania w swoim
algorytmie obserwacji z aktualnie dostępnych satelitów systemu Galileo. Autor skorzystał tu z
produktów centrum CODE z uwagi na brak odpowiednich produktów dla systemu Galileo w
ofercie służby IGS. Doktorant wykazał, że obecna liczba satelitów jest niewystarczająca do ich
optymalnego wykorzystania w technice PPP, lecz w pewnych warunkach nowe obserwacje
powalają na poprawę uzyskiwanych wyników.
W podrozdziale 7.2 autor omawia wyniki estymacji opóźnienia troposferycznego z
zastosowaniem zaproponowanych przez siebie algorytmów. Uzyskane ZTD charakteryzują się
dobrą stabilnością. Dodatkowo, w celu weryfikacji, doktorant porównał swoje rezultaty z
rozwiązaniem referencyjnym EPN. Ponieważ interwał rozwiązania referencyjnego wynosi
jedną godzinę, standardowo rozwiązanie to porównuje się do rozwiązań z np. 30-sekundowym
interwałem w środku godzinnego interwału, czyli o godzinie 0:30, 1:30, 2:30 itp. Doktorant
wybrał jednak porównanie w pełnych godzinach uzyskując przy tym wysoką zgodność
wyników. Nie mogę się jednak zgodzić ze stwierdzeniem, że EPN dostarcza „godzinne wartości
średnie” ZTD (s. 71).
Ostatni podrozdział tej części pracy (7.3) przedstawia analizy wyznaczonych nieoznaczoności.
Jak wcześniej wspominał, otrzymane nieoznaczoności obarczone są wpływem opóźnienia
jonosferycznego. Doktorant zauważył, że suma nieoznaczoności wide-lane oraz narrow-lane
powinna teoretycznie wynieść dwukrotność nieoznaczoności dla kombinacji iono-free
(równanie 7.1). Wobec tego przeprowadził sprawdzenie tego warunku uzyskując 80-cm
różnicę dla przykładowego satelity. Następnie podjął próbę, jednak nieudaną, wyjaśnienia
przyczyn tej różnicy. Wprowadził wzory 7.2 i 7.3 które budzą bardzo poważne wątpliwości, a
w których lewa strona równania nie równa się prawej, a mimo tego użyty jest znak równości.
A ponadto do korekcji obserwacji fazowych używa różnicy opóźnień sprzętowych obserwacji
kodowych (!) co jest zupełnie niezrozumiałe. Z tych oczywistych względów taka próba
wyjaśnienia różnicy nie udaje się. Recenzent rekomenduje tu rozpisanie równań
obserwacyjnych z uwzględnieniem opóźnień sprzętowych obserwacji fazowych i
przeanalizowanie ich zachowania w poszczególnych kombinacjach liniowych. Możliwe jest
również, że nieuwzględnienie opóźnienia jonosferycznego spowodowało częściowe
obciążenie nim innych parametrów oraz obserwacji (rezydua), stąd nieoznaczoności wide-lane
i narrow-lane są nim obciążone w równym stopniu.
W rozdziale 8 autor podsumowuje wyniki badań, omawia otrzymane rezultaty i formułuje
wnioski końcowe. Wnioski te dotyczące algorytmów, wyznaczeń współrzędnych i opóźnienia
troposferycznego są poprawne. Jedyne zastrzeżenia budzą wnioski dotyczące uzyskanej
różnicy nieoznaczoności, co wiąże się z zawartością podrozdziału 7.3
Wniosek końcowy
Podsumowując recenzję, należy stwierdzić, że autor podjął się ambitnego zadania
polegającego na opracowaniu własnego, autorskiego oprogramowania GPES realizującego
precyzyjne pozycjonowanie absolutne – PPP. Opracowanie takiego oprogramowania od
podstaw z pewnością wymaga znacznej wiedzy z zakresu metod i teorii precyzyjnego
opracowania obserwacji GNSS. Tematyka ta jest szeroko publikowana w najlepszych
czasopismach z zakresu geodezji, co potwierdza, że recenzowana rozprawa doktorska mieści
się w tej dyscyplinie.
Sam sposób przygotowania pracy wciąż wskazuje pośpiech przy jej redagowaniu. Autor
powielił wiele błędów z poprzedniej wersji pracy i recenzowana rozprawa wciąż zawiera błędy
i nieścisłości, głownie w przedstawionych równaniach. Budzi to pewne zdziwienie, gdyż w
przewodzie występował promotor pomocniczy, którego jednym z zadań jest wyeliminowanie
takich błędów. Błędy te należało by skorygować przed wydaniem pracy.
Niemniej jednak ogólny poziom pracy spełnia wymagania stawiane rozprawie doktorskiej, a
przeprowadzone testy numeryczne na rzeczywistych danych obserwacyjnych w mojej ocenie
są wystarczające i potwierdzają skuteczność zaproponowanych rozwiązań. W szczególności
należy podkreślić szybszy czas zbieżności uzyskany z wykorzystaniem algorytmu XPPP. Do
głównych osiągnięć doktoranta należy zaliczyć opracowanie autorskich algorytmów do
precyzyjnego pozycjonowania techniką PPP, a następnie ich zaimplementowanie i
przetestowanie we własnym, stworzonym od podstaw oprogramowaniu.
W mojej ocenie przedstawiona przez mgr inż. Grzegorza Nykiela rozprawa doktorska spełnia
warunki określone w art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach i tytule naukowym
oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. z 2003 r. nr 65 poz. 595 z późn. zm.) i może być
dopuszczona do publicznej obrony.