RED GNSS del Instituto Geográfico Nacional. Evolución, cálculo y

servicios en tiempo real

Javier G. Matesanz

J.A. Sánchez Sobrino, M. Valdés, M.A. Cano, P. Gonzalo

Instituto Geográfico Nacional

Contenido

La red de estaciones permanentes GNSS (ERGNSS) del IGN. Objetivos.

Servicios de la ERGNSS.

Redes GNSS internacionales y regionales (CC.AA.)

Principales proyectos del Centro de Análisis EUREF

IBERRED

E-GVAP

Red de estaciones permanentes GNSS del IGN con acceso público a datos en tiempo real o post-proceso.

Integración de Datos Geodésicos globalmente: marco común a las redes geodésicas nacionales y densificaciones autonómicas. Obtener coordenadas de precisión y campos de velocidad en una red de Estaciones Permanentes GNSS. Proporcionar a los usuarios de GNSS datos para aplicaciones cartográficas, topográficas y posicionamiento (servidor FTP público de datos a 1 s).

ERGNSS: Objetivos

Proporcionar registros continuos de datos GNSS: Aplicaciones geodinámicas (SECEG Estrecho de Gibraltar, SVV, campo de velocidades...) Estudios de observación del nivel medio del mar. Estado de la ionosfera en tiempo real. Troposfera (contenido de vapor agua).

Contribuir con IGS y EUREF a la formación de los Sistemas y Marcos de Referencia (ITRFyy / ETRFyy) en España. Red nacional RTK a través de Internet:

Topografía y posicionamiento preciso. Cartografía, GIS y productos derivados (DGPS). Agricultura de precisión. Otras aplicaciones.

ERGNSS: 36 estaciones (+ SVV)

Red ERGNSS del IGN

YEB1

YEBE ALAC

Servidor FTP público de datos GNSS Disponibilidad pública de datos (1, 5, 15, 30 s) de todas las estaciones.

Accesos: vía FTP (ftp.geodesia.ign.es) , HTTP (www.ign.es) o PAG.

Gráficos de calidad de datos.

Correcciones DGPS y RTK de estación simple.

Caster IGN: http://ergnss-ip.ign.es (puertos 80 y 2101 ) clientes NTRIP, correcciones RTCM 2.3 y 3.x.

Formulario de registro en http://www.ign.es – Actividades – Geodesia.

Servicio de correcciones con solución de red en pruebas (BL hasta 200 km), disponible próximamente.

Servicio RTK en la ERGNSS

Desde 1991 coordina una red mundial GNSS. Actualmente, unas 250 estaciones en el mundo. Objetivos y productos del IGS:

Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF). Estudio de la Geodinámica Terrestre. Cálculo y distribución de efemérides precisas GNSS Parámetros de rotación de la Tierra:

Movimiento del Polo (PM). Velocidad del Polo (PMR). Longitud del día (LOD).

Parámetros atmosféricos: ZPD troposférico (ultrarrápido y final). Malla de TEC ionosférico (ultrarrápido y final).

Redes internacionales (I) International GNSS Service (IGS)

http://igscb.jpl.nasa.gov

Subcomisión de la IAG responsable del mantenimiento de ETRS89 a través de una red GNSS en Europa: EPN.

Actualmente unas 250 estaciones.

Más de 30 países integrados.

Organización EUREF:

– Centros Operacionales (OC). – Centros Locales de Datos (LDC). – Centros de Análisis Locales (LAC). – Centro de Análisis Regional (RAC). – Centro Regional de Datos (RDC).

European Reference Frame (EUREF) http://www.epncb.oma.be - http://www.euref-iag.net

Redes internacionales (II)

Estaciones IGS / EUREF en España

34 estaciones IGS / EUREF en España (23 IGN)

El IGN, Centro de Análisis de EUREF Desde 2001, el IGN es Centro de Análisis de EUREF, procesando

una subred europea de 64 estaciones. Bernese Proccessing Engine (BPE) 5.2, (AIUB) en Linux SuSe.

Procesamiento EUREF (I) Características generales:

Ecuaciones de dobles diferencias de fase y ajuste m.m.c.c. ponderados. GPS + GLONASS. Uso de productos IGS: órbitas, ERP. Correcciones carga oceánica FES2004, carga atmosférica. Diferentes estrategias de resolución de ambigüedades. Antenas: calibraciones absolutas centro fase + calib. individuales. Troposfera:

Modelo a priori DRY-GMF. Estimación ZTD: WET-GMF. Estimación gradientes horizontales (mod. Chenher). Parámetros troposféricos cada hora.

Ionosfera: cálculo de modelo regional para estimación QIF. Datum estaciones “core” en IGb08 con condición de mínimo constreñimiento de translaciones.

Tres tipos de procesamiento: Semanal final:

Una vez por semana, cálculo en intervalos diarios, efem. finales. Demora de unos 15 días (productos precisos IGS).

Diario “rápido”: efemérides rápidas (CODE). Demora ~ 36 h.

Reprocesamientos ocasionales por mejora de productos / modelos, p.e.: Cambio marco ITRF → órbitas. Cambio calibraciones relativas → absolutas. GPS + GLONASS Modelos y correcciones ... ... ... ... ...

Procesamientos EUREF (II)

SNX

SUM

TRO

SNX

EURwwww7.SNX

LAC´s IGE

EUREF

Proyecto Especial Troposfera

---------------------------------------------------- Weekday Repeatability (mm) Station #Days 0123456 N E U ---------------------------------------------------- ACOR 13434M001 5 XXXXX 0.33 0.27 2.58 ALAC 13433M001 7 XXXXXXX 1.32 0.36 2.92 ALBA 13452M001 7 XXXXXXX 0.86 0.46 3.45 AXPV 10057M001 7 XXXXXXX 0.74 0.80 2.14 BADH 14288M001 7 XXXXXXX 0.69 0.98 4.20 BORR 13480M001 7 XXXXXXX 0.72 0.60 1.58 BRON 19686M001 6 XXXXXX 0.63 0.60 3.14 CACE 13447M001 7 XXXXXXX 0.65 0.40 1.09 ................................................... YEBE 13420M001 7 XXXXXXX 0.82 0.46 2.53 ZARA 13462M001 7 XXXXXXX 0.57 0.80 3.38 ZOUF 12763M001 5 XXXXX 0.89 1.68 1.17 ---------------------------------------------------- Total 440 1.05 1.32 3.98 ----------------------------------------------------

Procesamiento EUREF (III)

X, Y, Z, VX VY VZ

TIGA, IGS...

El proyecto IBERRED (I)

Situación en España y en los países colindantes: Nuevas redes estaciones permanentes GNSS en los últimos años. Aplicación principal: correcciones en t real. El análisis de los datos de post-proceso permite más aplicaciones:

Coordenadas precisas. Control de los marcos de referencia. Productos meteorológicos. Orbitales. Estudios geodinámicos. Detección de movimientos locales de muy diversas causas.

Casi todas las CC.AA. disponen de una red GNSS. Prácticamente ninguna realiza cálculos contínuos. Propósito fundamental: RTK.

Objetivo Proyecto IBERRED. Cálculo y análisis de series temporales GNSS en España y en los países colindantes.

Características generales: máxima precisión, densidad y consistencia. procesados con un software geodésico. alrededor de 340 estaciones en la actualidad.

Vocación de continuidad y mejora. Base para la homogeneización del marco nacional ETRS89 (CSG). Apoyo a otros proyectos (p.e. E-GVAP, inicio SVV).

El proyecto IBERRED (II)

Estaciones existentes: datos con acceso público y gratuito. acuerdo bilateral con el IGN.

Dos tipos: administraciones públicas. empresas privadas.

Preferencia a administraciones. mayor compromiso.

Redes internacionales GNSS: EPN de EUREF. IGS Tracking Network.

Red GNSS Ámbito Geográfico Nº est.

Redes Internacionales

IGS Mundial 27

EPN (EUREF) Europa 54

Redes Nacionales

ERGNSS (IGN) España 19

RENEP (IGP) Portugal 33

RGP (IGN) Francia 14

Redes Regionales

ERVA Comunidad Valenciana 7

CATNET Cataluña 9

GALNET Galicia (privada) 17

GRAFCAN Islas Canarias 17

ITACYL Castilla y León 33

MERISTEMUM Región de Murcia 7

RAP Andalucía 22

REGAM Región de Murcia 9

ARAGEA Aragón 23

REBCM Comunidad de Madrid (privada) 6

Red de La Rioja La Rioja 5

REP Extremadura 12

RGAC Cantabria 5

RGAN Navarra 14

RGE País Vasco 11

SITIBSA Islas Baleares 8

Otras Europeas 3

Total 355

El proyecto IBERRED (III)

ESTACIONES PROCESADAS IBERRED

Características muy similares al de EUREF. Actualmente: BSW 5.0, en proceso de migración a 5.2. Agrupación (‘clustering’):

En metodología de dobles diferencias: + estaciones + tiempo cálculo (exponencialmente).

Alto número de estaciones procesadas hasta 340. Agrupación de estaciones en pequeñas subredes

estaciones en común mínima distancia menos de 20 estaciones por subred.

Posteriormente, se agrupan las ecuaciones normales de las subredes. Datum: coordenadas y velocidades estaciones “core” IGb08, mínimo constreñimiento de traslación.

Procesamiento IBERRED

Resultados (I) Comprobación previa de repetibilidad semanal. Resultados finales para cada día.

SINEX diarios. Coordenadas, precisiones y parámetros del ajuste estadístico.

SINEX Troposféricos. ‘Zenith Total Delay’ (ZTD) para cada hora.

Series Temporales de coordenadas. SINEX Tablas de coordenadas diarias (X, Y, Z) y precisiones. Marco de referencia de soluciones:

IGS05 desde el año 1996 hasta abril de 2011. IGS08 desde abril de 2011.

Transformación a coordenadas locales topocéntricas (neu).

Ejemplo YEBE en (X,Y,Z) y (n,e u), IGS05-08.

Resultados (II)

Eliminar desplazamiento debidos al mov. de placas tectónicas (velocidades ITRF). Expresando en ETRS89

Realización ETRF2000 desde IGS05 ETRF2000(R05) desde IGS08ETRF2000(R08)

Ejemplo YEBE (n,e u).

ETRF2000(R05-08).

Resultados (III)

Series temporales proyecto IBERRED

Ejemplos Estación YEBE y LORC (n,e u), ETRF00.

Resultados (IV)

Series ‘brutas’ Series ‘limpias’ ‘Limpias’ desplazamientos del terreno Tramos de datos erróneos. Datos fuera de tendencia (‘outliers’). Saltos en las series

cambios de antena. movimientos bruscos.

Con históricos de estación (.log, .STA). Cálculo de velocidades

Software CATS cálculo de velocidades y manejo de saltos. Mapa de velocidad. Tipos de velocidades.

horizontales componentes N y E vertical componente U

Mapa de velocidades de depuración. Fuera de tendencia estudio de serie anomalía. Depuración iterativa de serie.

Mapa de Velocidades finales.

Resultados (V)

Mapa de Velocidades ETRF2000: horizontales (izda.) y verticales (dcha.).

Resultados (VI)

Casos Particulares (I) LORC (Lorca, Murcia). pequeño salto en las series (terremoto mayo 2011), componente N, 5 mm. hundimiento de la estación de unos 9 cm anuales y que concuerda con resultados publicados con InSAR (*) que apuntan a un posible origen hidrológico.

(*) P.J. González, J. Fernández, “Drought-driven transient aquifer compaction imaged using multitemporal satellite radar interferometry” Geology, Junio 2011

Resultados (VII)

Casos Particulares (II)

ACOR (A Coruña). hundimiento brusco (2003)

Interferencia en el puerto. hundimiento constante y progresivo junto con un desplazamiento al E en toda la serie.

Resultados (VIII)

Casos Particulares (III)

3CAN (Tres Cantos, Madrid) Oscilación en componente vertical con un periodo de algo más de un año y con una amplitud de hasta 4 cm.

Existencia de pozos posible origen hidrológico.

Resultados (IX)

Casos Particulares (IV)

ALBA (Albacete) Subsidencia vertical de aprox. 1 cm / año.

Detectada subsidencia vértice REGENTE 10 km al sur de 40 cm desde 2003 (4 cm / año). Aún no estudiada con InSAR. Extracción agua?

Resultados (IX)

Casos Particulares (V) RIAN (Riaño, León) Oscilación en componente vertical con un periodo anual y amplitud de 2 cm.

Correlación inversa con ciclo de llenado del embalse.

Resultados (X)

Sensor de movimientos en la superficie terrestre con una precisión y distribución hasta hace pocos años difíciles de imaginar. Detección de gran variedad de fenómenos, instrumentales o físicos (deformaciones de origen tectónico, volcánico, hidrológico). Herramientas adecuada para estudio marcos de referencia oficiales. Redes GNSS regionales han solicitado coordenadas oficiales al IGN.

IBERRED ha sido el productor de esas coordenadas.

Punto de partida para proyecto meteorológico E-GVAP.

Conclusiones

Continua actualización y mejora. Ampliar redes y estaciones procesadas. mejora de análisis las series análisis espectrales y análisis de ruido. Normalizar descriptores de anomalías de las series: saltos, ventanas de datos erróneos, puntos fuera de tendencia. Nuevo reprocesamientos productos reprocesados IGS, en IGS08. Migración BSW 5.2: nuevos modelos. Cálculo GPS + GLONASS (y Galileo en un futuro). Base para armonización redes en España y cambio a ETRF00.

Trabajos futuros

Actualmente, proyecto del Observatorio Geofísico, germen en el Centro de Análisis. Unas 30 estaciones procesadas en el entorno de Canarias. Oct. 2011 – Mar 2012: 1ª erupción submarina en El Hierro (→ 12 estaciones).

comienzo de la erupción

Sistema de Vigilancia Volcánica (Observatorio Geofísico)

Redes permanentes GNSS: coordenadas y velocidades (IBERRED). Procesamiento:

Ionosfera: eliminación efecto mediante (dos) frecuencias. Troposfera:

Capa gran variabilidad, más difícil de modelar. Responsable de los fenómenos meteorológicos. Contiene la mayor parte de vapor de agua de la atmósfera. Cálculo: introducción retardo troposférico incógnita.

El proyecto E-GVAP

Coordenadas conocidas

Cálculo retardo troposférico (ZTD) en nrt Contenido vapor de agua

Modelos Numéricos de Predicción del Tiempo

Introducción (II)

El vapor de agua es fundamental para la predicción meteorológica. Relacionado con transferencia de E, precipitaciones y contenido de gases efecto invernadero. Actualmente, gran falta de observaciones de humedad. Redes GNSS pueden proporcionar en “tiempo real” esta información. EUMETNET: Network of European Meteorological Services. E-GVAP: EUMETNET GNSS water VApour Programme. IGN: experto en procesamiento GNSS para E-GVAP desde 2008.

La troposfera en GNSS (I) Propagación señal: temperatura, presión y vapor de agua. Retardo en el zenit de hasta 8 ns = 2,4 m. Cálculo GNSS: estimación del Zenit Total Delay, ZTD. ZTD → OTD (trayectoria oblicua mediante las Mapping Function (MP). Por ej. función de Niell.

Retardo total: integral de la refractividad (N), se puede descomponer:

Componente seca: 90% retardo, f de la presión (f de H), calculable con buena precisión (p.e. GMF). Componente húmeda: f del vapor de agua, alta variabilidad espacial y temporal, mayor error en cálculo → WTD = ZTD – HTD.

El proyecto E-GVAP OBJETIVO: proveer a los países de EUMETNET los ZTD y contenido de vapor de agua en NRT para predicción numérica del tiempo. 13 Centros de Análisis recogen y procesan los datos RINEX. Datos combinados (varios AC’s procesan la misma estación). Validación y control de calidad de los ZTD (supersites). Actualmente, 1500 estaciones en Europa. IGN, Centro de Análisis desde marzo 2008 (EUREF desde 2001).

Red procesada en E-GVAP Necesaria una red lo más densa posible: España y colindantes. Actualmente, casi 300 estaciones. Procesado horario NRT (RINEX publicados antes de 20 min). Redes procesadas:

Internacionales: EPN, IGS. Nacionales: IGN-E, IGN-F e IGP. Regionales: Valencia, Cataluña, Privadas: Madrid, Galicia.

País Vasco, Navarra, La Rioja, Cantabria, Galicia, Extremadura, Castilla-León, Baleares, Canarias, Murcia, Andalucía y Aragón. Asturias, sin datos.

Scripts recogida datos, TEQC, filtrado 30 s y compresión.

Estrategia de procesamiento Dos tipos de procesamiento dentro del proyecto E-GVAP:

Semanal o de posicionamiento: obtención de coordenadas precisas. Productos IGS, efemérides precisas (15 dias). Misma estrategia que IBERED. Clustering de subredes (<20) con estaciones comunes. Posteriormente, agrupación NEQ subredes. Troposfera: Saastamoinen + Dry Niell MP a priori y estimación horaria con Wet Niell MP, sin constreñimientos. Estimación de gradientes horizontales.

Horario o troposférico: obtención directa del ZTD. Productos IGS, efemérides ultrarrápidas. Coordenadas semanales fuertemente constreñidas (1 mm). Combinación NEQ de última hora con 11 ant.: mayor estabilidad en ZTD. De esta combinación, ZTD de los min 0, 15, 30, 45 y 60 mediante las funciones lineales a trozos solución del ajuste. Proceso en minuto 25 y tarda ~ 18 minutos.

Resultados del procesamiento (I) Ficheros SINEX troposféricos → envío en formato COST-716. Datos para cada estación GNSS procesada de todos los AC’s. Valores ZTD → columna de vapor de agua integrado (IWV). Comparación con el modelo HIRLAM (1 dato / 3 h) y “supersites”.

AGRD ACOR

Resultados del procesamiento (II)

IGE - Desviación estándar en ZTD (mm) IGE - Disponibilidad datos y t envío (último mes)

N = nº de obs * 100

Resultados del procesamiento (III) Comparación ZTD ACOR (feb 2013)

2330

2350

2370

2390

2410

2430

2450

2470

37

37.9

39.1

40.1 41

41.9

42.8

43.8

44.7

45.6

46.9

47.8

48.9

49.9

50.8

51.7

52.6

53.5

54.4

55.4

56.3

57.2

58.1

59.1

DOY

ZTD

(mm

)

COMB-EURIBERREDEGVAP

Dif. respecto sol. combinada europea: IBERRED: desv. est. = 2.1 mm E-GVAP: desv est = 6.1 mm

prom. (abs) = 1.5 mm prom. (abs) = 4.4 mm

(J. Jones, Met Office, UK)

ZTD en modelos NWP

Conclusiones E-GVAP determina IWV de estaciones en tierra para su integración en Modelos Numéricos de Predicción del Tiempo. La integración de los datos mejora sensiblemente los modelos (actualmente 5 agencias los incorporan operativamente). Resultados IGE similares a otros AC’s. Clave la celeridad en la descarga RINEX – cálculo – envío ZTD. Hasta ahora, sólo unas pocas agencias aprovechan los resultados. Integración de datos GLONASS (próximas semanas). Necesaria investigación de mejora de navegación con resultados ZTD. Necesario buscar nuevos campos científicos datos GNSS: valor añadido.

Nuevos retos Modelos NWP de alta resolución necesitarán más resol. espacial y temporal. Procesamiento sub-horario. Mayor cobertura geográfica. Stream NTRIP, herramienta para procesamiento en t real. Más agencias MET asimilarán operativamente datos IVW. Proyecto COST: GNSS for Severe Weather Events and Climate (GNSS4SWEC). Nuevos productos: slants / gradientes / RT ZTD...

Servicios de Tiempo Real

•Software Geo++ (Topcon) •Diseñada para distancias de unos 150km •Con el máximo posible de rigurosidad:

•Monumentación IGN/EUREF •Calibración absoluta de centro de fase •Mínima latencia posible

•Todas las soluciones y formatos posibles •Independiente de la solución tecnológica del usuario (Ley de Acceso Electrónico de los Ciudadanos a los Servicios Públicos) •Acceso a internet mediante red de fibra óptica (previsto) •Servicio 24x7 (previsto) •En fase de pruebas:

•Largas distancias •Cinemática (~120km/h)

x(utmH30) y(utmH30) h Postproceso 573.377,676 4.436.201,685 994,303 dX dY dH

MACGG 573.377,683 4.436.201,671 994,320 -0,007 0,014 -0,017

PRSGG 573.377,686 4.436.201,693 994,293 -0,010 -0,008 0,010

PRSG 573.377,686 4.436.201,685 994,296 -0,010 0,000 0,007

peores condiciones tanto ionosféricas y troposféricas

x(utmH30) y(utmH30) h Postproceso 357.843,2427 4.809.196,4027 33,3982 E N U

Terraza_PRSGG_1 357.843,2470 4.809.196,4200 33,3870 -0,0043 -0,0173 0,0112

Terraza_PRSGG_2 357.843,2400 4.809.196,4130 33,3840 0,0027 -0,0103 0,0142

Terraza_PRSGG_3 357.843,2420 4.809.196,4120 33,3970 0,0007 -0,0093 0,0012

Terraza_RNAN_1 357.843,2290 4.809.196,3930 33,3880 0,0137 0,0097 0,0102

Las líneas que forman el triángulo son de 372 km, 279km y 112 km

Triángulos muy grandes

x(utmH30) y(utmH30) h BARCABANASBERNE 602.029,963 4.417.748,180 1.074,361 Diferencias Bernese

BARCABANAFKPG 602.029,968 4.417.748,150 1.074,326 -0,005 0,030 0,035

BARCABANAMACGG 602.029,970 4.417.748,152 1.074,374 -0,007 0,028 -0,013

BARCABANAPRSGG 602.029,967 4.417.748,156 1.074,329 -0,004 0,024 0,032

Conclusiones El servicio de tiempo real es una evolución de:

Proyecto RECORD-1 (RNE-código) (1995) Proyecto RECORD-2 (RNE-fase- en Digital Audio Broadcasting) (1996) NTRIP-EurefIP (2003)

Las primeras pruebas de cálculo en red se realizaron en Baviera en diciembre de 1995 Los tiempos de resolución y su fiabilidad es notable cuando se tienen varias constelaciones Varias constelaciones permiten líneas más largas (previsíblemente en un futuro mucho más largas) El cálculo se realiza a nivel regional en forma de modelo para todo el estado (permite mayor rigor y longitud de LB) Mediante convenio con otros agentes se asegurará un servicio nacional redundante y tolerable a fallos

Agradecimientos A las instituciones que hacen posible estos proyectos aportando datos/streams:

Topcon Positioning Network TopNET

Instituto Cartográfico de Cataluña (ICC) – CatNet.

SITIBSA – Xarxa de Geodesia Activa de les Illes Balears (XGAIB).

Gobierno de Navarra – Red Geodésica Activa de Navarra (RGAN).

Gobierno de Aragón: Red ARAGEA.

Instituto Cartográfico de Valencia (ICV) – Red Geodésica Activa en Tiempo Real.

Gobierno de Euskadi – Red de Estaciones de Referencia GNSS de Euskadi.

Gobierno de La Rioja – Red de estaciones permanentes GNSS.

Gobierno de Cantabria, Universidad de Cantabria – Red Geodésica Activa.

Región de Murcia – REGAM y Meristemum.

Instituto Geográfico Portugués (IGP) – Rede Nacional de Estaçoes Permanentes (RENEP).

Instituto Geográfico Nacional de Francia (IGN) – Reseau GNSS Permanent (RGP).

Cartogalicia – GALNET Rede GNSS.

Leica Geosystems – IBEREF.

Instituto Tecnologico Agrario de Castilla-León (ITACYL) – Red GNSS Castilla y León.

Junta de Extremadura – Red Extremeña de Posicionamiento (REP).

Instituto de Estadística y Cartografía de Andalucía – Red Andaluza de Posicionamiento (RAP).

GRAFCAN de Canarias – Red de Estaciones Permanentes (REP) de Canarias.

Instituto Geográfico Nacional