Praktische Anwendungen von GPS

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1 INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 2001/2002 Leitung: Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab Divisionär E. Ebert, Unterstabschef Führungsunterstützung Praktische Anwendungen von GPS Referent: Dr. Urs Wild Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für aufbereitet.

2 1-1 Dr. Urs Wild 1. Überblick über bestehende und geplante Satellitennavigationssysteme 1.1 Global Positioning System (GPS) 1.2 Global Navigation Satellite System (GLONASS) 1.3 Zukünftige Entwicklungen 2. G PS-Messverfahren und Genauigkeit der Positionsbestimmung 3. Einsatz von GPS in der Landesvermessung 3.1 Landesvermessung 3.2 Geodynamik 3.3 Meteorologie 3.4 Positionierungsdienste Praktische Anwendungen von GPS haben viele Tätigkeitsbereiche bereits massiv verändert und werden es auch weiterhin tun. Ursprünglich als rein militärisches System konzipiert, werden die Interessen der zivilen Benutzer zusehends ernster genommen. Dies zeigt sich z.b. im "GPS Modernization Program", wo es um die Einführung neuer ziviler GPS-Signale (ab ca. 2005) geht. Ein Beispiel für eine zivile Anwendung von GPS findet sich im Bundesamt für Landestopographie (L+T), wo GPS seit 1987 für die Landes- und Ingenieurvermessung eingesetzt wird. Adresse des Autors: BA für Landestopographie (L+T) CH-3084 Wabern " urs.wild@lt.admin.ch Informationstechnik und Armee 41. Folge 2001/2002 HAMFU - Seite 1

3 Überblick über bestehende und geplante Satellitennavigationssysteme 1.1 Global Positioning System (GPS) Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Radionavigationssystem, das vom amerikanischen Departement of Defense (DoD) entwickelt wurde, um der amerikanischen Armee weltweit und rund um die Uhr eine absolute Positionsgenauigkeit in Echtzeit von 8-10 Metern zu garantieren. GPS besteht aus 3 verschiedenen Segmenten: Raumsegment Kontrollsegment Benutzersegment. Das Raumsegment besteht aus nominell 24 Satelliten, die in 6 Bahnebenen in einer Höhe von ca. 20'000 km in 12 Stunden einmal um die Erde kreisen. Momentan (Januar 2002) sind 28 Satelliten operationell. Die Satelliten senden Radiosignale auf 2 Frequenzen (1.2 und 1.6 GHz) aus. Den Trägersignalen sind Navigationscodes (C/A [clear aquisition] - Code auf L1 für zivile Benutzer, P [precise] - Code auf L1 und L2 für militärische Benutzer) und eine Navigations - Message (d.h. die Satellitenposition) aufmoduliert. Abb. 1-1 GPS-Satellit und Satellitenkonstellation Das Kontrollsegment besteht aus einer Master Control Station in Colorado Springs sowie mehreren global verteilten Kontrollstationen. Die Hauptaufgaben des Kontrollsegments sind: Überwachung des G PS-Systemzustandes Definition und Haltung der G PS-Systemzeit Aufdatieren der Satelliten mit der neuesten Bahn- und Uhreninformation. HAMFU - Seite 2

4 4-3 Das DoD besitzt 2 Möglichkeiten, die Verfügbarkeit und die Genauigkeit des GPS zu beeinflussen: Selective Availability (SA) Das Satellitensignal wird künstlich verschlechtert, indem die Trägerfrequenz unregelmässig verändert wird. Zudem können die ausgesendeten Satellitenbahnparameter verfälscht werden. Diese künstliche Verschlechterung wurde am 1. Mai 2000 durch den Präsidenten der USA, Bill Clinton, überraschend aufgehoben. Damit hat er dem ständig wachsendem Druck nachgegeben, GPS auch für zivile Anwendungen genauer und damit attraktiver zu machen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist damit drastisch von m vor der Aufhebung auf wenige Meter nach der Aufhebung gesunken, wie Abb. 1-2 zeigt. SA Transition 2 May 2000 Colorado Springs, Colorado 2 May 2000 T ime of Day (Hours UTC) Abb. 1-2 Lage- und Höhenfehler vor und nach der Aufhebung der SA. Anti-Spoofing (A-S) Beim Anti-Spoofing wird der P-Code verschlüsselt. Der neu entstandene Code wird als Y-Code bezeichnet und steht nur autorisierten (sprich militärischen) Anwendern zur Verfügung. A-S verhindert, dass GPS-Signale von fremden Sendern simuliert werden können (Täuschung). Die Signale der GPS-Satelliten können von jedermann kostenlos mit einem handelsüblichen GPS-Empfänger empfangen werden, wobei die günstigsten GPS-Empfänger heute noch ca. 200 Fr. kosten. Durch die Distanzmessung zu 4 Satelliten (wobei der 4. Satellit zur Bestimmung des Synchronisationsfehlers der Empfängeruhr benötigt wird) wird die dreidimensionale Position des GPS-Benutzers (Länge, Breite und Höhe) auf der Erde bestimmt. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung wird vom Systembetreiber wie folgt angegeben: Standard Positioning Service (SPS) zivil 13m horizontal / 22m vertikal Precise Positioning Service (PPS) militärisch < 10 m. HAMFU - Seite 3

5 4-4 Die Positionsgenauigkeit hängt stark von der Satellitenkonstellation (d.h. der räumlichen Verteilung der Satelliten über dem Horizont) ab. Als Mass für die 'Qualität' einer bestimmten Satellitenkonstellation wird der sog. DOP (Dilution of Precision) -Wert verwendet, welcher als das reziproke Volumen des von allen sichtbaren Satelliten und dem Beobachter aufgespannten Polyeders definiert ist. Tiefe DOP-Werte stehen für eine 'gute', hohe DOP- Werte für eine ungünstige Satellitenkonstellation. Obwohl GPS ursprünglich als rein militärisches System konzipiert war, nahm mit den Jahren der Einfluss der zivilen Anwender auf GPS immer mehr zu. Heute wird das GPS vom Interagency GPS Executive Board (IGEB) betrieben, in welchem neben dem Departement of Defense auch das Departement of Transprotation und weitere nicht militärische Ministerien vertreten sind. Die Interessen der zivilen Benutzer werden zusehends ernster genommen, was sich z.b. auch im "GPS Modernization Program" zeigt, wo es um die Einführung neuer ziviler GPS-Signale (ab ca. 2005) geht. 1.2 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Das russische Pendant zu GPS heisst GLON ASS und wurde ebenfalls für primär militärische Zwecke aufgebaut. GLO NAS S besteht nominell ebenfalls aus 24 Satelliten, die verteilt auf 3 Bahnebenen (Inklination 65, Bahnhöhe ca. 19'200 km) die Erde mit einer Umlaufzeit von 11 h 15 min umkreisen. Die Signalstruktur von GLON ASS ist sehr ähnlich aufgebaut wie diejenige von GPS. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass jeder GLONASS-Satellit auf einer leicht verschiedenen Frequenz sendet (L1: MHz und L2: MHz). Die mit GLON ASS erreichbare Genauigkeit ist mit GPS vergleichbar. Heute (Januar 2002) sind nur 8 Satelliten operationell, der letzte Start von 3 neuen G L ON A SS - Satelliten erfolgte im Dezember Weitere Starts sind nach unseren Informationen momentan nicht geplant. Die Zukunft von GLO NAS S erscheint daher als eher unsicher. Momentan besteht die praktische Bedeutung von GLO NASS darin, dass es in Kombination mit GPS genutzt werden kann (entsprechende Hybridempfänger GPS/ GLONASS sind auf dem Markt erhältlich). Bei Anwendungen in dicht bebautem Gebiet z.b. kann die Kombination von GPS und GLON ASS von Vorteil sein, da dank der grösseren Anzahl Satelliten die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die für die Positionsbestimmung erforderliche minimale Anzahl Satelliten sichtbar ist. 1.3 Zukünftige Entwicklungen Die zukünftigen Entwicklungen der Global Satellite Navigation Systems (GNSS), wie der allgemeine Oberbegriff von GPS und G L O N AS S bezeichnet wird, ergeben sich aus der Forderung nach erhöhter räumlicher und zeitlicher Verfügbarkeit (d.h. die Anzahl der Satelliten und ihre räumliche Verteilung ist zu verbessern), nach Zuverlässigkeit (d.h. der Benutzer muss über Störungen im Satellitensystem infomiert werden können) und der Kombination mit anderen modernen Mobilkommunikationsmitteln. Heute zeichnen sich die folgenden Entwicklungsphasen ab: GNSS-1 (Zeithorizont ): Ergänzung der bestehenden Satellitensysteme GPS und GLO NAS S mit zusätzlichen Korrektur- und Integritätssignalen, d.h. Aufbau sog. Satellite Based Augmentation HAMFU - Seite 4

6 4-5 Systems (SBAS). Im Falle von Europa wird dieses System als European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS) bezeichnet. Über geostationäre Satelliten (u.a. über ARTEMIS) werden zusätzliche Distanz-, Uhren- und Integritätsinformationen übertragen, welche in Kombination mit GPS und GLON ASS genutzt werden können. EGNOS befindet sich momentan in einer Versuchsphase und soll ab ca in den operationeilen Betrieb gehen. GNSS-2 (Zeithorizont ab 2008): Zukünftiges Navigationssystem auf der Basis eines europäischen, unter ziviler Kontrolle stehenden Satellitensystems (GALILEO) 2. GPS-Messverfahren und Genauigkeit der Positionsbestimmung Für den Einsatz von GPS gilt es verschiedene Messgrössen und -verfahren zu unterscheiden (vgl. Abb. 2-1). Als Messgrössen können entweder direkt die von den Satelliten ausgesendeten Navigationscodes oder aber das Trägersignal von GPS verwendet werden: Code- Messungen (C/A-Code im zivilen Bereich, P-Code für das Militär) werden vor allem für Navigationsanwendungen verwendet, da die Messauflösung im Meterbereich liegt. Träqerphasenmessunqen eignen sich ihrer höheren Messauflösung wegen (1% der Wellenlänge, d.h. ca. 2-3 mm) für hochpräzise Anwendungen (z.b. in der Vermessung). Die Trägerphasenmessung hat gegenüber den Codemessungen den Nachteil, dass sie als zusätzliche Unbekannte die ganze Anzahl Wellenlängen zwischen dem Satelliten und dem Empfänger enthält. Diese Phasenmehrdeutigkeit ('Ambiguity') muss mittels spezieller Rechenverfahren bestimmt werden. Bei den Messverfahren unterscheidet man zwischen absoluten und relativen Verfahren. Bei den absoluten GPS-Messunqen werden mit einem GPS-Empfänger die Signale von mindestens 4 Satelliten empfangen und daraus die Position des Empfängers berechnet. Bei der absoluten Methode wirken sich sämtliche systematischen Fehlereinflüsse wie Bahnfehler (Abweichung der ausgesendeten Satellitenposition von der effektiven Satellitenbahn), Atmosphäre, Satelliten- und Empfängeruhren direkt auf die Positionsgenauigkeit aus. Beim relativen (oder differentiellen) Einsatz von GPS werden immer mindestens 2 GPS- Empfänger verwendet, wobei einer der Empfänger auf einem koordinatenmässig bekannten Punkt aufgestellt wird (Referenzstation). Mit dem anderen GPS-Empfänger werden auf den zu bestimmenden Punkten GPS-Messdaten erfasst. Durch Differenzbildung der Messungen auf der Referenz- und der mobilen Station kann nun die Koordinatendifferenz (nicht mehr die absolute Position) zwischen den beiden Stationen bestimmt werden. Diese Koordinatendifferenzen können nun aber viel genauer bestimmt werden als die absolute Position, da ein grosser Teil der systematischen Fehlereinflüsse durch die Differenzbildung eliminiert wird, weil die systematischen Fehlereinflüsse für die beiden Stationen (so lange diese nicht allzu weit voneinander entfernt liegen) die gleiche Grössenordnung aufweisen. In der Geodäsie werden ausschliesslich relative Messverfahren und Trägerphasenmessungen eingesetzt. Durch dieses Vorgehen können Genauigkeiten im cm- oder sogar mm-bereich erreicht werden. Weiter gilt es zu unterscheiden, ob die Resulate der GPS-Positionsbestimmung in Echtzeit (real-time) vorliegen oder ob sie allenfalls in einer Nachverarbeitunq der Messdaten (postprocesinq) erzeugt werden. HAMFU - Seite 5

7 m Ungebr- 1-2 m 1-5 c m m Ungebr m 0.1-1cm äuchlich DGPS * RTK ** äuchlich * DGPS = Differential GPS ** RTK = Real-time Kinematic Abb. 2-1 Übersicht über GPS-Messverfahren und erreichbare Genauigkeiten. 3. Einsatz von GPS in der Landesvermessung Das Bundesamt für Landestopographie (L+T) setzt GPS seit 1987 für seine Aufgaben in der Landes- und Ingenieurvermessung ein. In den Jahren wurde in der Schweiz ein Netz von 104 Punkten gemessen (Neue Landesvermessung LV95). Die Genauigkeit von LV95 beträgt ca. 1 cm in der Lage (horizontale Komponente) und 2-3 cm in der Höhe. Als Nachfolgeprojekt von LV95 wurde ab 1997 mit dem Aufbau des Automatischen GPS- Netz Schweiz (AGNES) begonnen, das aus 29 permanent betriebenen G PS-Messstationen besteht (vgl. Abb. 3-1 und Abb. 3-2). Die Daten der einzelnen AGNES-Stationen werden jede Sekunde über das Kommunikationsnetz der Bundesverwaltung (KOMBV) in das Kontroll- und Rechenzentrum der L+T in Wabern übertragen und dort vollautomatisch ausgewertet. In diese Auswertung werden auch GPS-Permanentstationen im benachbarten Ausland miteinbezogen, wodurch die Einbettung von AGNES in die übergeordneten europäischen Bezugssysteme gewährleistet ist. AGNES ist ein multifunktionales Referenznetz, das als Grundlage für die folgenden Anwendungen dient: Landesvermessung Geodynamik Meteorologie Positionierungsdienste. HAMFU - Seite 6

8 4-7 Abb. 3-1 Stationsnetz. Abb. 3-2 AGNES-Station Bourrignon. 3.1 Landesvermessung Für die Landesvermessung der Schweiz stellt AGNES den neuen, satellitengestützten Referenzrahmen dar. Bei sämtliche Vermessungsarbeiten der L+T werden die AGNES- Stationen als Referenzstationen verwendet, so wie früher die Fixpunkte der Landestriangulation. 3.2 Geodynamik Durch die kontinuierliche Auswertung der AGNES-Messungen entstehen Zeitreihen von Stationskoordinaten bzw. Basislinien (d.h. Distanzen zwischen 2 Stationen), welche auf geodynamische Verschiebungen hin untersucht werden könnnen. B A S E L I N E : Z I M M M T O B Z R G M B VELOCITIES: O. O O6 6 - O. t i m e ( y ea rs ) Abb. 3-3 Zeitreihe der Distanzänderungen Zimmerwald - Bolzano. Die Abb. 3-3 zeigt die Zeitreihe die Änderungen der Basislinie zwischen Zimmerwald und Bolzano (Südtirol), aufgeteilt nach Nord-Süd, Ost-West, Höhe und Basislinienlänge in Einheiten von Zentimetern. Auffallend ist, dass sich die Basislinie über längere Zeit (mehrere Monate) nicht verändert, d.h. innerhalb weniger mm konstant bleibt. Plötzlich treten in allen HAMFU - Seite 7

9 4-8 Komponenten grosse Veränderungen (ca. 2 cm) auf, welche nach einer gewissen Zeit wieder abklingen. Dieses Phänomen konnte nachträglich einem Erdbeben der Magnitude 4.8 zugeordnet werden, welches sich am 15. Juli 2001 in der Region Bolzano (Südtirol) ereignet hat. Das Beispiel zeigt, wie sensitiv die permanente GPS-Auswertung auf geodynamische Vorgänge reagiert und damit das Potential dieser Methode für die geodynamische Forschung in der Schweiz. 3.3 Meteorologie Aus der Analyse der AGNES-Daten lassen sich Rückschlüsse auf die Laufzeitverzögerungen der GPS-Signale in der Erdatmosphäre ziehen, welche ihrerseits wieder Funktionen von Druck, T emperatur und Luftfeuchtigkeit sind. Die L+T untersucht im Moment (in Zusammenarbeit mit der MeteoSchweiz und anderen europäischen Institutionen) das Potential von GPS zur Bestimmung von atmosphärischen Parametern und deren Verwendung in numerischen Wettermodellen. 3.4 Positionierungsdienste Unter der Bezeichnung swipos bietet die L+T real-time Positionierungsdienste an, die auf der Methode des relativen (oder differentiellen) Einsatzes von GPS beruhen: swipos - NAV Bei diesem Dienst werden die Korrekturdaten einer Referenzstation in Zürich landesweit über UKW/ RDS (3. Senderkette) ausgesendet. Der Benutzer benötigt neben dem GPS- Empfänger einen speziellen UKW/ RDS - Decoder, welcher die Korrekturdaten empfängt und dem GPS-Empfänger zuführt. Die mit swipos-nav erreichbaren Genauigkeiten leigen im Bereich von 1 bis 5 Metern. swipos - GIS/GEO Der hochpräzise Positionierungsdienst sw/pos-gis/geo beruht auf dem Automatischen GPS-Netz Schweiz (AGNES). Die Daten der AGNES-Stationen werden den Benutzern über Natel/GSM ( Businessnummer) für real-time Anwendungen zur Verfügung gestellt. Die Genauigkeiten liegen im cm - dm Bereich. Die Vorteile von swipos liegen in der Verwendung eines einheitlichen Bezugssystems für die Vermessungsarbeiten (vor allem wichtig bei Grossprojekten) und in der höheren Wirtschaftlichkeit dank dem Wegfall des logistischen Aufwandes für das Aufstellen einer eigenen GPS-Referenzstation. swipos hat sich bereits in den verschiedensten Bereichen bewährt, wenn es um die schnelle und rationelle Bestimmung von Positionen geht. Mögliche Anwendungen sind Fahrzeugnavigation, Flottenmanagement, Positionierung von Maschinen und Geräten (z.b. Kiesbagger), Mobilkommunikation (z.b. Einmessung von Antennenstandorten), Land- und Forstwirtschaft, Natur und Umweltschutz, Geographie/Geologie/Geophysik, Leitungskataster, Geomarketing, Kartographie und Vermessung. HAMFU - Seite 8