Herzlich Willkommen. Herr VOR Wirth Abteilung M, Referat Geodäsie, Aufgabenbereich Gewässervermessung Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz

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1 Herzlich Willkommen Herr VOR Wirth Abteilung M, Referat Geodäsie, Aufgabenbereich Gewässervermessung Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Höhenmessungen mit GPS Koblenz, den Status Quo und Entwicklungstendenzen

2 GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen

3 Hydrographisches Nutzerprofil für GNSS-Dienste Hydrographie und Schifffahrt sind Echtzeitnutzer Einsatzzeit rund um die Uhr, bzw. 8 Stunden kontinuierlich Eigene RS nur dort, wo Dienste nicht nutzbar SAPOS-HEPS & eigene RS: geforderte Höhenunsicherheit (68%) < 5 cm Höhenunsicherheit umfasst zufällige und systematische Abweichungen

4 Ortung und Tiefenmessung GPS-Satelliten Korrekturdaten 3dimensionale GPS-Ortung Referenzstation - der Landesvermessung ( - temporäre Referenzstation des WSA Lotung

5 Prinzipskizze eines Vermessungssystems (Messplanung Schiffsführung Datenerfassung Datensichtung)

6 Echolotung Einfachschwingersystem (Vertikalecholot) Mehrfachschwingersystem (n-vertikalecholote) Fächerecholot (1,bzw. 2 Schwinger) 5 15 Messwerte/sek Messwerte/sek Messwerte/sek

7 GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen

8 Fehlerquellen und Problembereiche Tiefenmessung: Wasserschallprofil, Mehrwegeeffekte, Signalverarbeitung, Morphologie der Sohle Lage, Heading: Dämpfung IMU, Kompassfehler, Nullablagen der Sensoren 3D-Ortung: Beeinflussbar: Anschlusskoordinaten, Koordinatentransformation, Geoid, Hinzunehmen? Abschattungen, Mehrwegeeffekte, Variation Antennenphasenzentrum, Güte der Korrekturwerte Zuordnung der Messgrößen: Uhrenfehler der Sensoren, Einmessung der Sensoren ins Schiffskoordinatensystem

9 Fehlerquellen und Problembereiche Abschattungen durch Bewuchs, Bebauung (Brücken ), Mehrwegeeffekte

10 GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen

11 Qualitätsmanagement Standards garantieren gleichbleibende belegbare Qualität schaffen Transparenz bei komplexen Abläufen ermöglichen kontinuierliche Verbesserung der Produktion der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)

12 Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung Zielgröße Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Exzentrizitäten im Schiffskoordinatensystem Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler

13 Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung Zielgröße Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler

14 Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung Zielgröße Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler

15 Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung Zielgröße Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler

16 Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung Zielgröße Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler

17 1. Prüfung auf Passpunkt mit Trimble 5700, Zephir-Rover-Antenne Korrekturdatenverlust Lageabweichung ist tolerabel FKP Lageabweichung ist tolerabel VRS Abweichung des Mittelwerts der Höhen << 1 cm Kurzfristige systematische Fehler ca. 10 cm! Ursache?

18 2. Prüfung vor Beginn der Messung Grobkontrolle durch Vergleich der Örtlichkeit mit Schiffsposition in digitaler Karte Grobkontrolle der Koordinaten am Schiffsliegeplatz durch Aufnahme einer Zeitreihe Mittel Wsp.-Höhe bei frei treibendem Schiff und Vergleich mit Pegelablesung Vergleich der Ortung mit redundantem Ortungssystem (z.b. motorisierter Tachymeter)

19 3. Plausibilisierung während der Messung RTK-quality Überwachung der gemessenen Wasserspiegelhöhe über Pegel und stationäres Wasserspiegellagenmodell ΔH Antenne Wasserspiegellagenmodell ΔH WSp-Modell Suspekte Messungen werden bei Überschreiten der Toleranz eliminiert! Sunk-und Schwall, Modellfehler, Rollbewegungen => Erkennen von Ausreißern der Höhe erst ab ~ 3 dm!

20 3. Plausibilisierung während der Messung Prädiktion der Position aus KALMAN-Filter und Ausreißertest Integriertes hydrographisches Ortungssystem Multisensorintegration in adaptives und wissensbasiertes KALMAN-Filter: Reduzieren zufälliger Abweichungen durch Glättung, Grob-Fehlererkennung, Überbrücken von GPS-Ausfällen, Bestimmen von Driftparametern bei IMU s. Kalman-Filter zur Zustandsschätzung Automatische Ausreißerdetektion! V ω V quer V längs Filter-Position Gemessene Position

21 4. Postprocessing Plausibilisierung Manuelle Kontrolle der GPS-Höhenzeitreihen Autom. Ausreißersuche durch Polynomapproximation mit robusten Schätzern der GPS-Höhen der berechneten Daten der Sohle linienhaft profilweise flächenhaft Die Größe des kleinsten detektierbaren Ausreißers hängt von der Bewegtheit der Morphologie ab! Schüttsteine: Kantenlänge 3 dm =>Erkennen von Ausreißern der Höhe erst ab 3 dm!

22 5. Modellierung der Sohlgeometrie Zufällige Höhenabweichungen werden durch die Ausgleichung nahezu eliminiert Kurzzeitige Systematische Abweichungen werden wahrscheinlich reduziert, wenn die Messfahrten sich überlappen und der zeitliche Abstand der Messfahrten > Dauer der Kurzzeit-Systematik ist Unsicherheit der Einzelmessung Unsicherheit nach der Auswertung

23 Fächerlotaufnahme mit HEPS Rot = Modell Minderung der systematischen Fehler in Überlappungsbereichen?

24 3D Ansichten Gewässersohle Rhein mit MS. Unkelstein WSA Bingen

25 GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen

26 Zukünftige Anforderungen Verfügbarkeit der Korrekturdaten rund um die Uhr Verbesserung des Auswertemodells und der Korrekturparameter? ( FKP vs. VRS vs. MAC [Master Auxiliary Concept]? ) Online-Korrektur der Phasenzentrumsvariationen mit Schiffslagemessungen Kombination GPS mit anderen Sensoren => ECHTZEIT-Messunsicherheit (68%) < 3 cm in der Höhe?

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Herr VOR Wirth Abteilung M, Referat Geodäsie, Aufgabenbereich Gewässervermessung Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261/1306-Durchwahl, Fax: 0261/130-Durchwahl wirth@bafg.de

28 Kartendarstellungen und Sonderprodukte Fächerlotaufnahme: Rhein-Km 554,5 (Loreley)

29 Gesamtmodell aus Laserscanner und Tiefenmessungen (5x5m-Raster)

30 Korrekturdatenmodelle Status quo und Verbesserungspotential Verbesserung der Korrekturmodelle? VRS Virtuelle Referenzstation FKP Flächenkorrekturparameter Rechenaufwand im Rover MAC Master Auxiliary Concept mit RTCM 3.1 Correction differences FKP & VRS werden aus verschiedenen Auswertealgorithmen gewonnen => nicht eindeutig MAC verlagert Verantwortung für Wahl des Auswerteund Korrekturmodells auf den Rover