Evaluation of Real-Time PPP-Based Tide Measurement Using IGS Real-Time Service

Tide data plays a key role in many marine scientific research fields such as seafloor topography measurement and navigation safety. To obtain reliable tide data, various methods have been proposed, e.g., tide station measurement, satellite altimeter measurement, and differential global positioning system (GPS) buoy measurement. However, these methods suffer from the limitation that continuous observations at different areas might not be always available. In order to provide high-precision as well as continuous real-time tide data, we propose a method based on real-time precise point positioning (RT-PPP) by using International GNSS Service (IGS) real-time service (RTS) products. Firstly, compared with the IGS final products, the accuracy of the RTS satellite orbit and clock is evaluated. Secondly, the positioning performance of RT-PPP is compared with the IGS ultra-fast products. Finally, a robust Vondrak filter is proposed to eliminate the influence of high-frequency noise and errors and to obtain tide results. Experimental results show that three-dimensional (3D) accuracy of the RTS orbit is better than 0.05 m, and also has 0.22 ns less clock bias. An improvement of 60% is achieved for positioning accuracy using RTS products compared to IGS ultra-fast products. Compared with the post-processing PPP method, the double difference (DD) method and tide gauge data, the root mean square (RMS) values of RT-PPP tide are 0.090, 0.194 and 0.167 m, respectively

Determinação e validação de modelos de separação de superfícies com referência ao elipsoide pelo GNSS e GNSS/INS

Orientadora: Profa. Dra. Claudia Pereira KruegerCoorientadora: Profa. Dra. Érica Santos Matos BalutaDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas. Defesa : Curitiba, 26/08/2022Inclui referênciasResumo: Os avanços da tecnologia GNSS permitiram uma maior acurácia do posicionamento de levantamentos hidrográficos, de modo que a variação das altitudes elipsoidais de uma embarcação pudesse ser representativa da variação da maré local. Para este efeito, é necessário definir um modelo de separação (SEP) entre o Nível de Redução (NR) de marés e o elipsoide, o qual pode ser determinado combinando dados de nível do mar de uma estação maregráfica com dados de altitude elipsoidal de uma lancha hidrográfica. Neste trabalho, tal metodologia foi avaliada com diferentes métodos de posicionamento GNSS e modos acoplamento ao sensor inercial. Como critério de validação, adotou-se um RMSE (I.C 95%) de 1 m para a componente horizontal e de 5 cm para a componente vertical, as quais foram avaliadas por duas abordagens: a primeira, com a lancha atracada junto a um marégrafo e comparando, relativamente, a variação das altitudes elipsoidais da embarcação com a variação da maré observada na estação; e a segunda, com a lancha atracada e navegando, sendo adotado como referência o método mais preciso: Inertial Aided Post Processed Kinematic - Tightly Coupled (IAPPK (TC)) para avaliar as componentes verticais e horizontais dos demais métodos. Na primeira abordagem, os dados GNSS foram reamostrados à mesma taxa utilizando a função Spline. Os filtros Hampel e de média móvel foram utilizados para remoção, adaptação de outliers e suavização das curvas. Seus parâmetros foram definidos empiricamente, de modo a minimizar o RMSE. Nos quatro períodos analisados com a lancha atracada, os métodos baseados no PPK obtiveram um RMSE em relação ao marégrafo abaixo de 5 cm; os métodos baseados no RTK e no PPP, em três períodos; e o GcDGNSS, em nenhum período. Na segunda abordagem, para os 11 períodos analisados com linhas de base menor do que 15 km, os métodos baseados no PPK obtiveram incertezas verticais menores do que 5 cm. Com o método IAPPP (TC), isso ocorreu em oito períodos; com o IAPPP (Loosely Coupled - LC), em seis; e com os métodos PPP baseados somente no GNSS, em quatro. No que se refere às incertezas horizontais, em todos os dias e métodos observou-se um valor menor do que 30 cm. Após a validação dos métodos geodésicos, o SEP da estação maregráfica do Clube Naval Charitas foi calculado combinando dados de rastreio de uma referência de nível com dados de nivelamento da ficha F-41 da estação. Posteriormente, tal resultado serviu para validação do SEP calculado pela lancha hidrográfica, atracada nas proximidades do marégrafo, utilizando o método IAPPK (TC). Na comparação com o SEP da estação maregráfica, foi encontrado um desvio padrão de 5,3 cm, com uma diferença média de 0,1 cm. Posto isso, verificou-se que os métodos baseados no PPK são os mais capazes de definir o SEP dentro do critério de incerteza vertical de 5 cm. Por fim, salienta-se que esta pesquisa é importante para a validação de superfícies com referência ao elipsoide (por exemplo: geoide, topografia do nível médio do mar) e todas as aplicações relacionadas ao posicionamento marítimo.Abstract: Advances in GNSS technology allowed greater accuracy in the positioning of hydrographic surveys, so that the variation in ellipsoidal heights of a vessel could be representative of the variation in the local tide. For this purpose, it is necessary to define a separation model (SEP) between the Chart Datum (CD) and the ellipsoid, which can be determined by combining sea level data from a tide gauge station with ellipsoidal height data from a hydrographic boat. In this work, such methodology will be evaluated with different GNSS positioning methods and coupling modes to the inertial sensor. As a validation criterion, an RMSE (CI 95%) of 1 m was adopted for the horizontal component and 5 cm for the vertical component, which were evaluated by two approaches: the first, with the boat moored next to a tide gauge and comparing , relatively, the variation of the vessel's ellipsoidal heights with the variation of the tide observed at the station; and the second, with the boat moored and sailing, the most accurate method was adopted as a reference: Inertial Aided Post Processed Kinematic - Tightly Coupled (IAPPK (TC)) to evaluate the vertical and horizontal components of the other methods. In the first approach, the GNSS data were resampled at the same rate using the Spline function. Hampel and moving average filters were used for removal, adaptation of outliers and curve smoothing. Its parameters were empirically defined, in order to minimize the RMSE. In all the four periods analyzed with the boat moored, the methods based on the PPK obtained an RMSE in relation to the tide gauge below 5 cm; methods based on RTK and PPP, in three periods; and the GcDGNSS, in any period. In the second approach, for the eleven periods analyzed with baselines smaller than 15 km, the methods based on PPK obtained vertical uncertainties smaller than 5 cm. With the IAPPP method (TC), this occurred in eight periods; with the IAPPP (Loosely Coupled - LC), in six; and with PPP methods based only on GNSS, in four. With regards to horizontal uncertainties, in all days and methods, a value lower than 30 cm was observed. After validating the geodetic methods, the SEP of the tide gauge station at Clube Naval Charitas was calculated by combining GNSS tracking data from a level reference with leveling data from the station's F-41 sheet. Subsequently, this result served to validate the SEP calculated by the hydrographic boat, moored close to the tide gauge, using the IAPPK (TC) method. In comparison with the SEP of the tide gauge station, a standard deviation of 5.3 cm was found, with a mean difference of 0.1 cm. That said, it was found that the methods based on the PPK are the most capable of defining the SEP within the vertical uncertainty criterion of 5 cm. Finally, it should be noted that this research is important for the validation of surfaces with reference to the ellipsoid (e.g geoid, mean sea level topography) and all applications related to maritime positioning