Thema der Sitzung: Satellitenpositionierung mit NAVSTAR GPS & GALILEO. Wo bin ich? - GPS-Navigation & Geocaching im Unterricht

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1 Wo bin ich? - GPS-Navigation & Geocaching im Unterricht Thema der Sitzung: Satellitenpositionierung mit NAVSTAR GPS & GALILEO Prof. Dr. Matthias Möller

2 Gliederung GPS Historie Funktion Aufbau Anwendungen Galileo DGPS Dienste Überleitung Low Cost GPS Konfiguration Prof. Dr. Matthias Möller Seite 2

3 GPS Global Positioning System Global Positioning System (GPS) ist das satellitengestützte Navigationssystem des US- Verteidigungsministerium zur weltweiten Positionsbestimmung Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) Wurde 1995 in Betrieb genommen Prof. Dr. Matthias Möller Seite 3

4 GPS Global Positioning System Positionsbestimmung unterschiedlich (selective availability = wählbare Verfügbarkeit) in Stufen der geographischen Lagegenauigkeit In 2000: SA abgeschaltet (Clinton) Aufschwung bei Navigationssystemen z.b.: PKW, Wandern, Radfahren, etc. Heute unverzichtbar (Flugzeug?!) Messfehler liegen seit 2000 in mindestens 90 % der Messungen < 10 m Prof. Dr. Matthias Möller Seite 4

5 GPS - Funktion basiert auf Satelliten, die ständig Signale ausstrahlen aus der Laufzeit des Signals bestimmt der GPS-Empfänger die Position Verzögerungen durch Ionosphäre & Troposphäre, Korrektur möglich Theoretisch reichen Signale von drei Satelliten für x,y,z Koordinate (Gleichung erfüllt) Prof. Dr. Matthias Möller Seite 5

6 GPS - Funktion GPS-Empfänger haben keine sehr exakt laufende Uhr Satelliten haben eingebaute Atomuhren, die auch permanent korrigiert werden Signal eines vierten Satelliten wird zur Ermittlung der exakten Uhrzeit benötigt Prof. Dr. Matthias Möller Seite 6

7 GPS - Funktion Prof. Dr. Matthias Möller Seite 7

8 GPS - Funktion nicht nur eine Position, auch die Geschwindigkeit ist bestimmbar aus der fortlaufenden Position Positionsbestimmung erfolgt mit max. 2 hz, also 2x/Sek. 24 Satelliten sind operationell, Höhe: km 4 Satelliten auf einer der 6 Bahnebenen um 55 gegen die Äquatorebene geneigt, um die Erde völlig abzudecken Prof. Dr. Matthias Möller Seite 8

9 GPS Satelliten Lebensdauer eines Satelliten ca. 7,5 Jahre Praktisch bis zu 31 Satelliten im Orbit Satellitenaustausch: ca. 60 Tage. Signale auf zwei Frequenzen ausgesendet: L1-Frequenz (1575,42 MHz) C/A-Code für zivile Nutzung, verschlüsselter P/Y-Code für die militärische Nutzung & Navigationsnachricht L2-Frequenz (1227,60 MHz) nur P/Y-Code. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen werden ionosphärische Effekte herausgerechnet Prof. Dr. Matthias Möller Seite 9

10 Galileo Prof. Dr. Matthias Möller Seite 10

11 Galileo (Folie historisch aus 2001) Europäisches Satellitennavigationssytem, das Ende 2010 betriebsbereit ist (?!) De facto ~ 2017 einsatzbereit Galileo: für zivile Zwecke vorgesehen, keine militärische Kontrolle, garantiert verfügbare Dienstleistung, kostet dafür aber (Lizenzmodell)! kann mit GPS & GLONASS kombiniert werden & ist dadurch noch genauer & zuverlässiger Prof. Dr. Matthias Möller Seite 11

12 Galileo - Finanzierung EU & ESA (Europäische Weltraumorganisation) gemeinsam; Finanzierung der Entwicklungsphase durch beide Organisationen Viele Staaten außerhalb der EU beteiligt, wichtig sind: China mit 280 Mio. Euro (sic!), Indien mit 200 Mio. Euro, Israel, Ukraine, Marokko, Schweiz, Südkorea Prof. Dr. Matthias Möller Seite 12

13 Galileo - Satelliten Galileo mit 30 Satelliten, Höhe ca km und ein Netz von Bodenstationen, die die Satelliten kontrollieren (Oberpfaffenhofen, DLR) Bahnneigung der Ebenen zum Äquator: 56 Grad. Auf jeder Ebene 9 je um 40 Grad versetzt fliegende Satelliten, ein zehnter Satellit als Reserve Abweichung eines Satelliten: höchstens 2 Grad Prof. Dr. Matthias Möller Seite 13

14 Galileo - Testphase 2 Testsatelliten; testen Ausrüstungen der Seriensatelliten, Zusammenwirken mit Bodenstationen & die projektierten Parameter der Navigationssignale GIOVE: Galileo In-Orbit Validation Element Untersuchungsschwerpunkt: Erprobung der Atomuhr-Typen GIOVE A überträgt Signale in zwei Kanälen, GIOVE B in drei Kanälen Prof. Dr. Matthias Möller Seite 14

15 Galileo - Anwendungen zivile Luftfahrt erwartet von Galileo Verbesserungen, ein sicheres & zuverlässiges Signal Straßenverkehr: Navigationshilfen im Fahrzeug, Flottenverwaltung in Taxi-, Speditions- & Busunternehmen (Logistik) Schienenverkehr: Anwendungen der Zugsteuerung & -überwachung, Verfolgung von Güterwagons Insgesamt aber: keine großen Unterschiede zum US NAVSTAR GPS Prof. Dr. Matthias Möller Seite 15

16 GATE Die GALILEO Test and Development Environment (GATE) im NP Berchtesgadener Land Um Empfänger zu entwickeln & unter realen Bedingungen zu testen Ziel: Testumgebung für eine realistische Signalsimulation. Mehr Infos: Prof. Dr. Matthias Möller Seite 16

17 Location Based Information (LBI) GALILEO - GATE Prof. Dr. Matthias Möller Seite 17

18 GATE Partner, Geodan - ÖAW Prof. Dr. Matthias Möller Seite 18

19 MOVIDA - Geodan Movida: Ortung mobiler Objekte, indoor & outdoor, RFID Tags & Smartphones mit GPS Empfänger. Ununterbrochene Kontrolle des Standortes. Logistik (Paket Verfolgung), Personen, etc. Prof. Dr. Matthias Möller Seite 19

20 MOVIDA - Geodan Forschung: Kopplung GPS GALILEO in GATE. Erweiterung Sensoren, ortsbezogene Ereignisse protokollieren. Automatisierte Prozessierung Sensordaten & Koordinaten. Prozeduren zur Evaluation der Sensorwerte. Prof. Dr. Matthias Möller Seite 20

21 MOVIDA Funktion GPS GALILEO Visualisierung von Position & Zeit Übertragung X,Y,Z Koord. GSM/UMTS MOVIDA Oracle WebGIS Geodatenserver Prof. Dr. Matthias Möller Seite 21

22 MOVIDA - LBI Erweiterung Erweiterung von Movida Clients um Sensoren, die menschliche Körperfunktionen überwachen, Werte übertragen & analysieren: Herzfrequenz (Puls) Körpertemperatur Hautfeuchtigkeit Elektrizität Blutdruck Ziel ist ein Gerät von der Größe einer Armbanduhr (Wrist held Mobile Device - WMD). Prof. Dr. Matthias Möller Seite 22

23 GI Medizin Mobiles Monitoring Gesundheitskontrolle in Echtzeit und ggf. Automatische Notfall-, Notruf - Alarmfunktion, wenn Werte den Toleranzbereich verlassen. Interaktiver Eingriff des Mediziners. Geovisualisierung der aktuellen Position. Langfristige Beobachtung der Rekonvaleszenz. Innovative, auf Patienten individuell abgestimmte Reha Maßnahmen durch Data - Mining. Echte 4D [Raum Zeit] Geoinformatik. Prof. Dr. Matthias Möller Seite 23

24 Zurück zu GPS Prof. Dr. Matthias Möller Seite 24

25 GPS Empfangseinheit Wdh.: Positionsbestimmung erfolgt über das Signal von mindestens VIER Satelliten Nachricht der Satelliten enthält Informationen zu dem Satelliten, Zeit & Almanach-Daten GPS-Signale breiten sich wie sichtbares Licht aus Sendeleistung 50 Watt! Prof. Dr. Matthias Möller Seite 25

26 NAVSTAR GPS Messfehler/Lagefehler Wolken, Regen, Beleuchtung beeinflussen das GPS-Signal nicht ABER Selective Availability (!) künstlich erzeugt Satellitengeometrie Mehrwegeeffekt Atmosphärische Effekte Uhrenungenauigkeit Relativistische Effekte Prof. Dr. Matthias Möller Seite 26

27 Mögliche Fehlerquellen - Ungenauigkeiten Störungen Ionosphäre ± 5 Meter Störungen Troposphäre ± 0.5 Meter Uhrenfehler der Satelliten ± 2 Meter Rechnungs- & Rundungsfehler ± 1 Meter Prof. Dr. Matthias Möller Seite 27

28 Selective Availability Seit 2. Mai :05 Uhr abgeschaltet Seitdem exaktere: Positionsbestimmung Höhenbestimmung Erst dadurch: Boom bei privaten Navigationssystemen! Prof. Dr. Matthias Möller Seite 28

29 GPS Gesamtfehler Positionsgenauigkeit von GPS mit aktivierter SA ±100 Meter Typische Positionsgenauigkeit bei inaktiver SA ± 10 Meter (90% aller Messungen) Typische Differential-GPS (DGPS) - Positionsgenauigkeit ±3-5 Meter Prof. Dr. Matthias Möller Seite 29

30 High End DGPS Differential GPS Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit durch mehrere GPS-Empfänger GPS Handheld Korrektursignal RTCM SC-104) Basisstation, Koordinaten bekannt Prof. Dr. Matthias Möller Seite 30

31 DGPS Dienste SAPOS EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) WAAS (Wide Area Augmentation System) Prof. Dr. Matthias Möller Seite 31

32 Low Cost GPS Mit geringem finanziellem Einsatz die Aufnahme von Strecken mit GPS durchführen Low Cost Consumer - Hardware Nicht einige hundert Euro investieren Software --> Freeware, Apps Sehr effizient für kleinere Planungs- und Kartierbetriebe, die eine teure Anschaffung vermeiden wollen Prof. Dr. Matthias Möller Seite 32

33 ENDE Prof. Dr. Matthias Möller Seite 33