Hinweis: Ein Teil der Grafiken sind mit freundlicher Genehmigung der Internetseite von Frank Woessner entnommen.

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1 GNSS - Grundlagen GNSS - Grundlagen Hinweis: Ein Teil der Grafiken sind mit freundlicher Genehmigung der Internetseite von Frank Woessner entnommen. Merke: GNSS bedeutet: Globales - Navigations - Satelliten - System. GNSS ist ein allgemeiner Name für die bereits bestehenden Navigations- Satelliten - Systeme und die geplanten Navigations - Systeme. 1. GPS - NAVSTAR = Globales Positionierungs - System aus Amerika GLONASS= Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema aus Russland GALILEO= Europäisches Satelliten - Navigations - System (im Aufbau; Start ca. 2013) 4. COMPASS= Satelliten - Navigations - System aus China (geplant und im Aufbau) 5. IRNSS = Indian Regional Navigation Satellite System (Indien, System im Aufbau) 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

2 Bestandteile eines GNSS Bestandteile eines GNSS Ein Satelliten - Positionierungs - System (z.b. GPS) hat 3 Hauptbestandteile (Segmente). Weltraumsegment Kontrollsegment Benutzersegment Das Weltraumsegment besteht aus min. 24 Satelliten auf 6 Bahnebenen Das Kontrollsegment verfolgt die Satelliten und empfängt und übersendet den Satelliten Daten: Z.B. neue Umlaufposition; stellt die Atom - Uhren ein; (= kalibrieren und synchronisieren) Das Benutzersegment besteht aus allen GPS - Empfängern. z.b.quelle: Garmin Handempfänger Positionsbestimmung (+/- 5 bis 10 m) Bahnneigung 55 gegenüber der Äquatorebene tatus/index.php Die Master - Controll - Station (Hauptkontrollstation) befindet sich in der Nähe von Colorado Springs / USA. Es gibt weitere Stationen in Äquatornähe rund um die Erde. (permanente Kontrolle). en.htm Quelle: Trimble Zwei - Frequenzempfänger (= L1 / L2 Empfänger) Die Satelliten fliegen in ca km Höhe und stehen ca. alle 24 Stunden über dem selben Ort. Die Satelliten senden auf 2 Frequenzen (L1 und L2) Positionsbestimmung auf +/- 1 bis 2 cm genau bei Nutzung von Korrekturwerten von SAPOS oder ASCOS. Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 2

3 Bestandteile eines 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: 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. Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 3

4 Absolute und relative Positionierung 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: Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 4

5 Absolute und relative Positionierung 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 ( 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. 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 (X p, Y p, Z p ) Stellen Sie die 4 Gleichungen zur Positionsbestimmung auf. Vier Unbekannte ( X p, Y p, Z p und die Laufzeit) brauchen zur Lösung 4 Gleichungen. Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 5

6 Die relative Positionierung Die relative Positionierung 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 Referenzstation X Y Z X Y Z Istkoordinaten Sollkoordinaten , , , , , ,12 Neupunkt (Roverstandort) Istkoordinaten , , ,44 Neupunkt (Roverstandort) Sollkoordinaten dx= dy= dz= dx= dy= dz= Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 6

7 Die relative Positionierung 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. Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 7

8 Auswertung der GNSS - Messung 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. 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). Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 8

9 Auswertung der GNSS - Messung Quelle: SAPOS Geobasis NRW SAPOS Referenzstationen - Bezirksregierung Köln - Geobasis NRW Beispiel: Sapos Referenzstation auf dem Rathaus in Essen (Quelle: SAPOS Geobasis NRW) Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 9

10 Auswertung der GNSS - Messung 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. Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 10

11 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! Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 11

12 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 Satellitenbahnfehler Dieser Einfluss ist sehr klein bei synchronisierten Diese Fehler führen zu falschen Koordinaten der Empfängeruhren und differentiellen Verfahren. 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 Die Laufzeit von Code und Trägerphase wird beeinflusst. Es ergibt eine fehlerhafte Streckenmessung. Der Fehler kann nur durch Messung der L1 und L2 Trägerwelle klein gehalten werden. Restfehler bis 0,2 ppm (1ppm = 1mm / km) Fehler im Benutzersegment Am besten keine Punkte in der Nähe von reflektierenden Gegenständen (Häuser, Autos, Verkehrsschildern ) aufbauen. Vermeidung durch lange Beobachtungszeiten. Antennenphasenzentrum Der Fehler entsteht, wenn das geometrische Zentrum der GPS-Antenne vom physikalischen Antennenzentrum abweicht. Fehler bis zu 1 cm Der Fehler wird durch gleiche Antennenbauart und Ausrichtung der Antenne verkleinert. Messrauschen Unter Messrauschen versteht man die empfängerabhängige Unsicherheit bei der Codeund Phasenmessung Andere Genauigkeitseinflüsse Satellitenanzahl 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 sollten mit Hilfe einer Elevationsmaske vom Empfang ausgeschlossen werden. Satellitenverteilung Ungünstige Satellitenverteilung führen zu schleifenden Schnitten und schlechten DOP-Werten (Genauigkeitsverlust) Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 12

13 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. Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 13

14 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 unterstützt die Zeitplanungen für die Messung. Beispiel: Messungen am RWB-Essen zwischen 13:30 bis 17:50 am 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. DHDN / GK - Koordinaten ETRS89 / UTM - Koordinaten Nr. Y = Rechtswert X = Hochwert NHN - Höhe E = Eastwert N = Northwert NHN - Höhe Copyright : Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 14