Was passiert in satellitengestützten Referenzstationsnetzen

Transkript

1 Was passiert in satellitengestützten Referenzstationsnetzen Andreas Bagge Geo++ GmbH D Garbsen

2 Inhalt Zielsetzung eines Referenznetzes GNSS Grundprinzip GNSS Fehlerquellen Differentielles GNSS Entfernungsabhängigkeit RTK Netze Mehrdeutigkeitsproblematik Modellierung der Fehlerquellen, Systemzustand Repräsentation

3 Zielsetzung eines Referenznetzes Bereitstellung von Diensten zur präzisen Positionsbestimmung homogene Qualität (Genauigkeit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit) einheitliche Bezugssysteme multifunktionale Anwendungen Navigation z.b. ÖPNV, Sicherheitsdienste, Landwirtschaft, Vermessung Kataster, Landesvermessung, Ingenieurvermessung, z.b. Bahn,... Infrastrukturmanagement, GIS Leitungsdokumentation, Energieversorgung, Entwässerung,...

4 GNSS Grundprinzip

5 GNSS-Grundprinzip R 2 R 3 R 4 R 1 P =PDOP l Z X Y WGS84 n 4 Beobachtungen:{PR 1 PR 2 PR 3 PR 4 PR n } 4Unbekannte :{ X Y Z t }

6 GNSS Genauigkeit P =PDOP l P l PDOP - Standardabw. des 3D-Positionsfehlers - Standardabweichung einer Pseudorange - Summe aller Fehler! - Position Dilution Of Precision - Geometriefaktor für die Satelliten Receiver-Konstellation

7 GNSS Accuracy P =PDOP l gute Geometrie: PDOP = 2 3 gewünschte Positionsgenauigkeit: 2-3 cm erforderliche Genauigkeit der Pseudorange: 1 cm nur mit Trägerphasen aber: systematische Fehler!

8 GNSS Fehlerquellen

9 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Wahrer Orbit Fehlereinfluss B Orbit-Fehler Broadcast Orbit Satellitenbahnfehler Z X Y WGS84

10 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen S Satellitenuhrfehler Fehlereinfluss Z X Y WGS84

11 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Ionosphäre Fehlereinfluss (dispersiv): - Beschleunigung der Trägerphase - Verzögerung der Codephase I Z X Y WGS84

12 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Troposphäre Fehlereinfluss: - nicht-dispersive Refraktion T Z X Y WGS84

13 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Multipath Z Fehlereinfluss M Signal-Interferenenz X Y WGS84

14 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Antennenphasenzentrumsvariationnen (PCV) Z X Y WGS84 A Fehlereinfluss: Offsets und elev./azim. abhängige Variationen

15 Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Receiveruhrfehler Z X Y WGS84 4 te Unbekannte t R

16 Größe der Fehlereinflüsse Fehlerquelle Satellite Orbit Satellite Clock Ionosphere Troposphere Multipath Code Multipath Phase Antenna Absoluter Einfluss m m >100 m m m mm... cm mm... cm

17 Absolute ( Stand-Alone ) Positionierung Positionsbestimmung eines einzelnen GNSS Empfängers im System des GNSS voller Einfluss aller Fehlerquellen Genauigkeit bei GLONASS/GPS 5 20 m für viele Anwendungen nicht ausreichend!

18 Differentielles GNSS

19 Differentielle ( DGNSS ) Positionierung Ermittlung aller Fehlereinflüsse auf einer bekannten Station Korrekturen Übertragung der Korrekturen zum Rover Anbringen der Korrekturen reduzierter Fehlereinfluss Berechnung der Position mit Code ( DGNSS ) oder mit Trägerphase ( RTK )

20 Pseudorange-Korrekturen Pseudorange: PR gem. =R 0 S B I T t L R 0 Referenzstation => R 0, t Fehlereinflüsse: Satellite clock S Satellite orbit B Ionosphere Troposphere Multipath, Antenna, Noise: L = M A I T Pseudorange-Korrektur: PRC=PR R 0 t PRC= S B I T L t Receiver clock

21 Differentielle ( DGNSS ) Positionierung Positionsbestimmung eines einzelnen GNSS Empfängers in Bezug auf eine Referenzstation Reduktion des Einflusses der Fehlerquellen Genauigkeit GLONASS/GPS DGNSS: ½ -3 m ppm RTK: 1-3 cm ppm Problem: Entfernungsabhängigkeit der Fehlereinflüsse! Ursache: Räumliche Variationen zusätzl. Fehlerquelle: Koordinaten der Referenzstation

22 GNSS-Fehlerquellen Räumliche Variationen

23 Größe der Fehlereinflüsse Fehlerquelle Absoluter Einfluss Relativer Einfluss Satellite Orbit Satellite Clock Ionosphere Troposphere Multipath Code Multipath Phase Antenna m m >100 m m m mm... cm mm... cm ppm 0.0 ppm ppm ppm m mm... cm mm... cm Hohe räuml. Korrelation Lokal (Kalibrierung)

24 DGNSS Entfernungsabhängigkeit PRC Broadcast-Korrektur (pro Satellit) entfernungsabhängige Fehler (mindert Qualität mit zunehmender Entfernung) Referenz Rover Distanz

25 Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit 100 % Verfügbarkei, Zuverlässigkeit Genauigkeit 1 cm Entfernung von Referenzstation

26 Unvernetzte Referenzstationen bei sehr guten Bedingungen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht

27 Unvernetzte Referenzstationen bei mittleren Bedingungen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht

28 Unvernetzte Referenzstationen bei schlechten Bedingungen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht

29 Unvernetzte Referenzstationen bei extrem starker Ionosphäre Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht

30 Einfaches RTK: RTK Grenze bei einzelner Basistation PRC RTK Grenze Broadcast Korrektur maximal akzeptierter Fehler für RTK Referenz Entfernung

31 RTK Netze

32 Vernetzte Referenzstationen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht

33 Vernetzung aus Nutzersicht Nutzer im Feld Einweg-Kommunikation empfängt alle erforderl. Korrekturen/Referenzdaten bestimmt absolute RTK-Position jederzeit/überall 1 cm Genauigkeit cm-genauigkeit überall!

34 Entfernungsabhängige Fehler aus RTK-Vernetzung PRC Interpolierter Fehlereinfluss Ref 1 Rover Ref 2 Distanz

35 Mehrdeutigkeitsproblematik

36 Mehrdeutigkeitsniveau Phasenkorrektur 2 identische Ambiguity Levels unterschiedlicher Ambiguity Level Ref1 Rover Ref2 Distanz

37 Range Observation Entfernungsmessung R zu 1 Satelliten R Receiver muss irgendwo auf der Kugeloberfläche sein

38 Geometrischer Ort aus 3D-Entfernungsmessung Entfernungsmessung zu 2 Satelliten R2 R1 Receiver muss irgendwo auf dem Schnittkreis sein

39 Range Observation R

40 Mehrdeutige Entfernung (Phase) 1 Satellit 1 l

41 Ambiguity Search 2 Satelliten

42 Ambiguity Search 3 Satelliten

43 Ambiguity Search 4 Satelliten mehr Satelliten weniger Kandidaten

44 Ambiguity Search: schwache Genauigkeit schwache Genauigkeit mehr Kandidaten

45 Ambiguity Search: systematische Fehler systematische Fehler falsche Kandidaten

46 Modellierung der Fehlerquellen

47 Modellierung der Fehlerquellen Minimierung der systematischen Fehlereinflüsse sicherere Mehrdeutigkeitsbestimmung bessere räumliche Pädiktion für Rover genauere zeitliche Prädiktion möglich komplexe vollständige Modelle für den physikalischen Systemzustand ( State ) aller Fehlerquellen

48 State Monitoring am Beispiel GNSMART komplettes Zustandsmodell (State Space Model SSM) Multi-station RT Netzlösung höhere Redundanz gegenüber Dreiecksmaschen größere Stationsabstände (sparse networks) robust gegenüber Stations-/Kommunikationausfällen undifferenzierte Beobachtungen komplettes (regionales) Fehlermodell mit Trägerphasen- Genauigkeit undifferenzierte Mehrdeutigkeitslösung

49 GNSMART: State Monitoring bestimmt den (Fehler-)Zustand des GNSS-Systems Satellite Clock Synchronization Error Satellite Signal Delays (Group Delays) Satellite Orbit Error (Kinematic Orbits) Ionospheric Signal Delays Tropospheric Signal Delays Receiver Multipath (optional) Carrier Phase Ambiguities Receiver Coordinates (optional) Receiver Clock Synchronization Error Receiver Signal Delays (Group Delays)...

50 Repräsentation

51 Verfahren der Zustandsrepräsentation Zustandsparameter im Zustandsraum State Space Representation (SSR) funktionale Beschreibung der Fehlerursachen universelle Methode für zukünftige Anwendungen transformierte Zustandsparameter im Beobachtungsraum Observation Space Representation (OSR) entfernungsabhängig wirkende Zustandsparameter werden in den Beobachtungsraum transformiert und mit Beobachtungsdaten der Referenzstationen verknüpft RTCM 18/19, RTCM 20/21 + FKP (Flächenkorrekturparameter) PRS (Pseudoreferenzstation) VRS (virtuelle Referenzstation)

52 FKP Repräsentation Phasenkorrektur 1 FKP M 1 FKP FKP Repräsentationsfehler 2 Distanz Ref 1 Rover Ref 2

53 FKP Repräsentation Beispiel GNSMART eine FKP-Ebene pro: Referenzstation (= Basissignal ) Signal (L i, L 0 ) Satelliten PRC Φ optional: Polynome höherer Ordnung Λ

54 Virtuelle Referenzstation (VRS) Phasenkorrektur Troposphärisches Model übertragen VRS Repräsentationsfehler 1 VRS M Ref V Ref 1 Rover 2 Ref 2 Problem: bewegte (virt.) Referenzstation? Distanz

55 Pseudo-Referenzstation (PRS) Phasenkorrektur Distanz: Rover erwartet Restfehler PRS Repräsentationsfehler 1 PRS M Ref 1 PRS Rover 2 Ref 2 Distanz

56 Ambiguity-freie Phasenkorrektur- Differenzen (RTCM 3.1) Phasenkorrektur 1 1 Cor Repräsentationsfehler 12 Cor M 2 Distanz Ref 1 Rover Ref 2

57 Individualisierte Korrekturdaten mit Geo++ FKP PRS VRS Geo++ FKP: Geo++ PRS: Geo++ VRS: classic VRS: reale Referenzstation sichtbare Referenzstation individualisierte Korrekturen bewegter Rover

58 Geo++ GNSMART vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit... artist's view of Geo++ building in Garbsen