GNSS- Grundlagen

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GNSS- Grundlagen

GNSS
GNSS - Grundlagen
GNSS - Grundlagen
Hinweis: Ein Teil der Grafiken sind mit freundlicher Genehmigung der Internetseite von Frank Woessner
http://www.kowoma.de/gps/index.htm entnommen.
Merke:
GNSS bedeutet:
1.
GPS - NAVSTAR =
2.
GLONASS=
3.
GALILEO=
4.
COMPASS=
5.
IRNSS =
Globales - Navigations - Satelliten - System.
http://de.wikipedia.org/wiki/Globales_Navigationssatellitensystem
GNSS ist ein allgemeiner Name für die bereits bestehenden NavigationsSatelliten - Systeme und die geplanten Navigations - Systeme.
Globales Positionierungs - System aus Amerika.
http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema aus Russland.
http://de.wikipedia.org/wiki/GLONASS
Europäisches Satelliten - Navigations - System (im Aufbau; Start ca. 2013)
http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation)
Satelliten - Navigations - System aus China (geplant und im Aufbau)
http://de.wikipedia.org/wiki/Compass_(Satellitennavigation)
Indian Regional Navigation Satellite System (Indien, System im Aufbau)
http://de.wikipedia.org/wiki/Indian_Regional_Navigation_Satellite_System
Ein Navigations - Satelliten - System wird zur Positionierung (Standortfeststellung) von Personen,
Fahrzeugen und Punkten in der Vermessungstechnik benutzt.
In der Praxis arbeitet man heute mit dem GPS – System und dem GLONASS – System.
Neue Satellitenempfänger in der Vermessungstechnik haben jedoch bereits die Möglichkeit, GPS – Signale und
GLONASS – Signale gleichzeitig zu empfangen und die Daten auszuwerten.
In Zukunft werden Satellitenempfänger in der Vermessungstechnik bis zu 120 Signale von unterschiedlichen
Systemen (GPS, GLONASS, GALILEO…) gleichzeitig empfangen können.
Copyright ©: Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik
1
GNSS
Bestandteile eines GNSS
Ein Satelliten - Positionierungs - System (z.B. GPS) hat 3 Hauptbestandteile (Segmente).
Weltraumsegment
Das Weltraumsegment besteht
aus min. 24 Satelliten auf 6
Bahnebenen
Kontrollsegment
Das Kontrollsegment verfolgt die
Satelliten und empfängt und übersendet
den Satelliten Daten:
Z.B.
neue Umlaufposition;
stellt die Atom - Uhren ein;
(= kalibrieren und synchronisieren)
Benutzersegment
Das Benutzersegment besteht aus
allen GPS - Empfängern.
z.B.Quelle: Garmin
Handempfänger
Positionsbestimmung (+/- 5 bis 10
m)
Bahnneigung 55° gegenüber der
Äquatorebene
http://www.kowoma.de/gps/gpss Die „Master - Controll - Station“
tatus/index.php
(Hauptkontrollstation) befindet sich in der
Nähe von
Colorado Springs / USA.
Es gibt weitere Stationen in Äquatornähe
rund um die Erde.
(permanente Kontrolle).
http://www.kowoma.de/gps/Bodenstation
en.htm
Die Satelliten fliegen in ca.
20.000 km Höhe und stehen ca.
alle 24 Stunden über dem
selben Ort.
Die Satelliten senden auf
2 Frequenzen (L1 und L2)
Quelle:
Trimble
Zwei - Frequenzempfänger
(= L1 / L2 Empfänger)
Positionsbestimmung auf +/- 1 bis
2 cm genau bei Nutzung von
Korrekturwerten
von SAPOS oder ASCOS.
2
GNSS
Aufbau der Satellitensignale
Jeder GPS - Satellit hat genaue Atomuhren und sendet auf 2 festen Frequenzen (L1 und L2)
Neue Satelliten senden in Zukunft auch auf den neuen L2a- und L5- Freqenzen.
Die Signale enthalten einen eigenen Erkennungscode, Uhrzeit und die Position (Broadcast Ephemeriden)
des Satelliten. In den GPS-Empfängern ist der Erkennungscode aller Satelliten gespeichert und so kann der
Empfänger am Signal den Satelliten „erkennen“ und die Daten auswerten.
Die Trägerwellen L1 und L2 unterscheiden sich durch ihre Wellenlänge.
L1-Frequenz mit 1575,42 MHz (Wellenlänge: 19,05 cm) (L2-Frequenz: 1227.60 MHz; Wellenlänge: 24,45 cm).
Auf diese Trägerwellen sind verschiedene Codes aufmoduliert (Phasenmodulation).
Beispiel für die Phasenmodulation auf einer Trägerwelle
GPS - Signale vom Satellit zum Empfänger
Der C/A - Code wird von Handempfängern empfangen.
und erlaubt eine Positionsgenauigkeit von ca. +/- 5 bis10 m.
Manche Satellitenempfänger (L1 - Empfänger) arbeiten nur mit der L1 - Frequenz.
Die Genauigkeit kann bei der Nutzung von Korrekturwerten der Positionierungsdienste (SAPOS oder ASCOS)
bis auf ca. +/- 0,5 m verbessert werden.
3
GNSS
Absolute und relative Positionierung
Bei der GPS–Nutzung unterscheiden wir:
Die absolute Positionierung
Codephasenmessung
(Wanderer, Fahrzeuge, Schiffe)
Die relative Positionierung
Trägerphasenmessung
(Anwendung in der Vermessungstechnik)
Die absolute Positionierung
Bei der absoluten Positionierung eines einzelnen GPS - Empfängers wird bei der Codephasenmessung die
Laufzeit des Signals bestimmt. Dabei wird der C/A Code der Trägerwelle L1 benutzt.
Prinzip: Räumlicher Bogenschlag:
4
GNSS
Uhrensynchronisierung (Uhrenvergleich)
Räumlicher Bogenschlag:
Die Kreise muss man sich als Kugeloberflächen vorstellen. Im Zentrum einer Kugel befindet sich der Satellit. Mit
Hilfe der empfangenen Almanach-Satellitendaten (http://www.quantenwelt.de/technik/GPS/almanach.html)
kann man Satellitenstandortkoordinaten (3D - Koordinaten (X, Y, Z) für eine bestimmte Zeit bestimmen. Aus den
Kugelradien (= Entfernung Satellit - Empfänger) werden Schnittpunktkoordinaten ( B) berechnet. Durch
synchronisieren der Empfängeruhr mit den Atomuhren der Satelliten erhält man den Empfängerstandort A.
http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/info2.htm
Entfernungsbestimmung
Mit der Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit
eines Signals wird die Entfernung von einem
Satelliten bis zu einem GPS - Empfänger berechnet.
Die Laufzeit eines Signals zwischen Satellit und
Empfänger beträgt ca. 0,07 sec. Satellit und
Empfänger müssen genau gleichlaufende Uhren
besitzen.
Merke:
Ein Uhrengleichlauf (Synchronisierung) ist die
Voraussetzung für die Entfernungsbestimmung.
.
Wie wird die Empfängeruhr synchronisiert ?
(= Uhrenvergleich mit der Atomuhr im Satelliten)
Die Laufzeiten im Beispiel oben sind nicht real (wirklich). Die Laufzeiten sollen nur die Synchronisierung
erklären.
Betrachten wir zuerst den Schnitt zweier Kreise. Liegt kein Laufzeitfehler vor (4 sec und 5 sec Laufzeit),
erhalten wir den Schnittpunkt A. Haben wir jedoch einen Laufzeitfehler, erhalten wir den Schnittpunkt B
(4,5 sec und 5,5 sec; Laufzeitfehler jeweils 0,5 sec.) Denn Laufzeitfehler kennen wir nicht (= unbekannt).
Frage: Welcher Punkt ist richtig ?
Die Laufzeitmessung zu einem dritten Satelliten (3. Kreis) bringt uns Klarheit ! Bei einem
Laufzeitfehler (0,5 sec) gibt es plötzlich 3 Schnittpunkte B (jeweils die Schnitte zweier Kreise
betrachtet).
Man verschiebt nun die Zeiteinstellung der Empfängeruhr solange, bis aus den drei Schnittpunkten B ein
Schnittpunkt A wird. Der Uhrenfehler ist korrigiert (= Uhr richtig eingestellt). Die Empfängeruhr läuft jetzt
genau snychron (gleich) zu den Atomuhren der GPS - Satelliten. Der GPS - Empfänger hat nun eine
"Atomuhr" und die Laufzeit des Signals kann genau bestimmt werden.
Merke:
Für eine Positionsbestimmung braucht man immer 4 Satelliten. Drei Satelliten für die
Lagebestimmung (X, Y, Z) und einen Satelliten für die Korrektur des Laufzeitfehlers.
Berechnung der Position:
Aufgabe:
gegeben:
3D - Koordinaten (X, Y, Z) von 4 Satelliten.
gesucht:
3D - Koordinaten des unbekannten Punktes P (Xp, Yp, Zp)
Stellen Sie die 4 Gleichungen zur Positionsbestimmung auf.
Vier Unbekannte ( Xp, Yp, Zp und die Laufzeit) brauchen zur Lösung 4 Gleichungen.
5
GNSS
In der Vermessungstechnik wird grundsätzlich nur die relative Positionierung (= Differenzielles GPS )
benutzt. Dazu wird mindestens ein koordinatenmäßig bekannter Punkt (Referenzpunkt) mit einem Empfänger
besetzt und die Messdaten werden zeitgleich mit den Messdaten auf dem Neupunkt gespeichert.
Die Bestimmung des Neupunkts geschieht relativ (in Beziehung) zum Referenzpunkt. Die Korrekturwerte
auf der Referenzstation werden an den Rover (beweglicher GNSS - Empfänger) übermittelt.
Merke:
Viele Fehlereinflüsse einer GNSS – Messung können durch die relative Positionierung beseitigt werden.
Vereinfachtes Prinzip einer Basislinienberechnung
(Raumvektoren dX, dY, dZ zwischen Referenzstation und Rover)
Referenzstation
Y
Istkoordinaten
X
2745 038,29
976 985,12
X
3611 125,44
2745 037,23
Neupunkt (Roverstandort)
Istkoordinaten
2745 345,23
dX=
976 953,22
dY=
Referenzstation
Y
Sollkoordinaten
Z
976 986,56
Z
3611 123,12
Neupunkt (Roverstandort)
Sollkoordinaten
3611 147,44
dZ=
dX=
dY=
dZ=
6
GNSS
Die Trägerphasenmessung
Für genaue Positionsbestimmungen in der Vermessungstechnik wird die Trägerphasenmessung
angewendet.
Durch ständige Messung der Trägerphase des Satellitensignals wird das Phasenreststück gemessen.
Die Anzahl der vollen Wellenstücke bleibt unbekannt.
Man sagt: Das Ergebnis ist mehrdeutig (Phasenmehrdeutung).
Durch gleichzeitige Messung auf einem oder mehreren bekannten Standpunkten kann die
Mehrphasendeutung (= wie viele Phasen (Wellenstücke) gibt es) durch Berechnungen (Suchalgorithmen)
beseitigt werden.
Die Beseitigung der Mehrphasendeutung nennt man Initialisierung. Am Rover wird die Beseitigung der
Mehrphasendeutung durch den Status „fixed“ angezeigt.
Nur Koordinaten mit dem Status „fixed“ werden gespeichert.
7
GNSS
Auswertung der GNSS - Messung
Bei der Auswertung der Messung unterscheidet man zwischen:
Postprocessing - Auswertung
(Auswertung nach der Messung)
RTK - Auswertung
(Real – Time - Kinematik = Echtzeitauswertung)
Postprocessing
Sämtliche Messdaten werden gespeichert und später erfolgt die Auswertung im Büro mit Hilfe von
Auswerteprogrammen. Diese Methode führt heute zur genauesten Punktbestimmung (Genauigkeit ≤ 1 cm)
Die gleichzeitige Messung auf mehreren Standpunkten erfordert mehrere GPS – Empfänger.
Mehrere Empfänger kosten viel Geld. Gleichzeitig ist eine Auswertung erst später möglich.
Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) hat deshalb den gemeinschaftlichen
Aufbau des Satellitenpositionierungsdienstes SAPOS beschlossen. http://www.sapos.de/
Dafür wurden in Deutschland permanente Referenzstationen (Referenzpunkte) aufgebaut.
Diese permanenten (=ständigen) Referenzstationen senden laufend Korrekturdaten an eine Zentrale.
(in NRW ist die Zentrale bei Geobasis NRW in Bonn – Bad Godesberg).
8
GNSS
Quelle: SAPOS Geobasis NRW
SAPOS Referenzstationen - Bezirksregierung Köln - Geobasis NRW
Beispiel: Sapos – Referenzstation auf dem Rathaus in Essen (Quelle: SAPOS Geobasis NRW)
9
GNSS
RTK - Auswertung
RTK bedeutet = Real Time Kinematik = Echtzeitauswertung. Diese Methode hat sich immer mehr
durchgesetzt und zur verstärkten Nutzung der Satellitenpositionierungsdienste SAPOS und ASCOS geführt.
Der Vorteil:
Man braucht keinen zweiten GNSS - Empfänger auf einer Referenzstation. Die Korrekturdaten werden von
der fest aufgebauten Referenzstation über die Zentrale und Mobilfunk (GSM) oder Mobile Internetverbindung
zum Auswerteprogramm im Feldrechner am Rover (Mobilstation) übermittelt. Es werden alle eingehenden
Daten zu gebrauchsfähigen Koordinaten (z.B. Gauß-Krüger – Koordinaten oder UTM - Koordinaten) des
Neupunkts verarbeitet und angezeigt bzw. gespeichert.
Der Nachteil:
Eine zuverlässige und genaue Koordinatenlösung ist nur bis 10 km Abstand (Basislänge) zu einer
Referenzstation möglich.
Virtuelle Referenzstationen (VRS)
Derzeit sind die Abstände zwischen den permanenten Referenzstationen bei SAPOS etwa 50 km.
d.h. Der maximaler Abstand zu einer Station ist etwa 25 Km. Somit ist die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der
Neupunktbestimmung nicht flächendeckend gegeben (bei Nutzung einzelner Stationen)
Das hat zum Konzept der virtuellen Referenzstationen geführt. Anstelle einer real existierenden
Referenzstation werden in Echtzeit GPS - Messdaten einer VRS „gerechnet“. Dies geschieht durch
Berechnung der Korrektur - Daten in Echtzeit mit Messdaten der umliegenden Permanentstationen.
Der Rover (Mobilstation) erhält dann Korrekturdaten von einer „Virtuellen Referenzstation“ im
Messgebiet . Dadurch hat man kurze Basislinien und genaue Korrekturdaten für die Neupunkte.
10
GNSS
GNSS - Empfänger
GNSS - Empfänger
Für die GNSS – Messung mit Korrekturdaten von den Satellitenpositionierungsdiensten SAPOS oder ASCOS
braucht man einen L1 und L2 – Empfänger mit einem Modem für die Echtzeitübertragung der Korrekturdaten.
Bei der Übertragung der Korrekturwerte wird das international vereinbartes RTCM - Datenformat, (RTCM 2.3 und
RTCM 3) benutzt.
Beispiel für einen GNSS – Empfänger (Rover) als Rucksacklösung.
Aufgabe:
1. Beschreiben Sie die Einzelteile dieser GNSS – Ausrüstung!
2. Beschreiben Sie die Einzelteile der GNSS – Ausrüstung in ihrem Büro!
11
GNSS
Fehlereinflüsse beim GNSS
Fehlereinflüsse beim GNSS
Bei einer GNSS – Messung können verschiedene Fehler auftreten. Man versucht durch die Messanordnung
oder die Auswertesoftware die Fehler möglichst klein zu halten bzw. zu beseitigen.
Restfehler lassen sich jedoch nicht vermeiden.Bei den Fehlern unterscheiden wir:
Fehler im Raumsegment und Kontrollsegment
Satellitenuhrenfehler
Dieser Einfluss ist sehr klein bei synchronisierten
Empfängeruhren und differentiellen Verfahren.
Satellitenbahnfehler
Diese Fehler führen zu falschen Koordinaten der
Satellitenposition.
Der Fehlereinfluss bei Differenzialverfahren
beträgt ca. 0,1-0,5 ppm je nach Länge der
Basislinie. (1ppm = 1mm / km)
Signalausbreitungsfehler
Ionosphärische und Troposphärische
Refraktion
Mehrwegeausbreitung
Am besten keine Punkte in der Nähe von
Die Laufzeit von Code und Trägerphase wird
reflektierenden Gegenständen (Häuser, Autos,
beeinflusst. Es ergibt eine fehlerhafte
Verkehrsschildern…) aufbauen.
Streckenmessung. Der Fehler kann nur durch
Messung der L1 und L2 Trägerwelle klein gehalten Vermeidung durch lange Beobachtungszeiten.
werden. Restfehler bis 0,2 ppm
(1ppm = 1mm / km)
Fehler im Benutzersegment
Antennenphasenzentrum
Messrauschen
Der Fehler entsteht, wenn das geometrische
Unter Messrauschen versteht man die
Zentrum der GPS-Antenne vom physikalischen
empfängerabhängige Unsicherheit bei der CodeAntennenzentrum abweicht.
und Phasenmessung
Fehler bis zu 1 cm
Der Fehler wird durch gleiche Antennenbauart und
Ausrichtung der Antenne verkleinert.
Andere Genauigkeitseinflüsse
Satellitenanzahl
Satellitenverteilung
Je mehr Satelliten über dem Horizont (oberhalb
der Elevationsmaske), umso höher die
Genauigkeit der Messung. Die
Genauikeitswahrscheinlichkeit wird in DOP
(Dilution of precision) angegeben.
Kleine DOP- Werte = hohe Genauigkeit.
(PDOP =Wert für die 3 D- Genauigkeit.)
Satelliten unterhalb eines Höhenwinkels von 12°
Ungünstige Satellitensollten mit Hilfe einer Elevationsmaske vom
verteilung führen zu schleifenden Schnitten und
Empfang ausgeschlossen werden.
schlechten DOP-Werten (Genauigkeitsverlust)
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GNSS
GNSS – Einsatz in der Vermessungstechnik
GNSS – Einsatz in der Vermessungstechnik
Für den GNSS – Einsatz in der Vermessungstechnik gibt es Richtlinien bzw. Vorschriften.
Aufgabe :
Welche Richtlinien und Vorschriften gelten in Ihrem Bundesland.
Quelle: Geobasis NRW
Inhalt der Richtlinien:
SAPOS und ASCOS bieten verschiedene Dienste für unterschiedliche Genauigkeiten an:
Aufgabe:
Beschreiben Sie mit Hilfe der Internet – Informationen (bzw. Prospekte) die unterschiedlichen Dienste (Angebote)
von SAPOS und ASCOS.
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GNSS
Planung der GNSS - Messung
Planung der GNSS - Messung
Für GNSS – Messungen mit hoher Genauigkeit ist eine möglichst große Anzahl von Satelliten über dem
Messgebiet notwendig. Die kostenlose Software „Planning“ der Firma Trimble
http://www.trimble.com/planningsoftware_ts.asp?Nav=Collection-8425
unterstützt die Zeitplanungen für die Messung.
Beispiel: Messungen am RWB-Essen zwischen 13:30 bis 17:50 am 25.04.2009 mit den Systemen GPS und
GLONASS.
Aufgabe:
1.
Bestimmen Sie die beste Messzeit für ihr Messgebiet und drucken Sie die wichtigen Angaben aus.
2.
Bestimmen Sie durch GNSS – Messung die GK – Koordinaten und UTM – Koordinaten von 2 Punkten
an Ihrem Schulungsort.
3.
Überprüfen Sie die Messungen mit Hilfe von Transformationsprogrammen.(z.B. TRABBI 2D)
4.
Berechnen Sie die Strecke zwischen den Punkten in beiden Lagebezugssystemem.
5.
Überprüfen Sie die Strecke mit dem Messband.
Pkt.
Nr.
DHDN / GK - Koordinaten
Y = Rechtswert
X = Hochwert
NHN - Höhe
ETRS89 / UTM - Koordinaten
E = Eastwert
N = Northwert NHN - Höhe
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