Vermessung und Ortung mit Satelliten

Transkript

1 Manfred Bauer Vermessung und Ortung mit Satelliten GPS und andere satellitengestutzte Navigationssysteme Mit Beitragen von Lambert Wanninger 5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Herbert Wichmann Verlag Heidelberg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einfuhrung Vermessung, Ortung, Geodasie - Versuch einer Abgrenzung Vermessung ohne Satelliten- Arbeitsweise, Ergebnisse Historische Wurzeln des Vermessungswesens FigurderErde Definition und Messung von Hohen Stand der Erdmessung vor dem Satellitenzeitalter 33.3 Uberblick iiber die Erdmessung mit Satelliten Methoden der Satellitengeodasie Beobachtungsverfahren Ergebnisse der Satellitengeodasie Referenzsysteme der Geodasie - Das Geodatische Datum Referenzsystem, Datumsfestsetzung und Referenznetz Datumsfestsetzung in konventionellen geodatischen Referenzsystemen Datumsfestsetzung in globalen Referenzsystemen - Das Geodatische Datum Datumstransformation Koordinaten der Landesvermessung 58 2 Theoretische Grundlagen Satellitenbahn Ungestorte KEPLER-Ellipse Gestorte KEPLER-Ellipse Koordinatensysteme Astronomische Koordinatensysteme Terrestrische Koordinatensysteme Koordinatentransformationen Berechnung terrestrischer Koordinaten aus KEPLER-Elementen Berechnung ellipsoidischer Koordinaten aus kartesischen Koordinaten Berechnung kartesischer Koordinaten aus ellipsoidischen Koordinaten Berechnung topozentrischer Polarkoordinaten Uberfiihren ellipsoidischer Hohen in Gebrauchshohen Einleitung Grundlagen Flachenapproximation der Hohenbezugsflache durch bivariate Polynome Finite-Element Darstellung der Hohenbezugsflache Datumstransformation von Geoidmodellen Digitale Finite Element Hohenbezugsflache 89

3 VIII Inhaltsverzeichnis 2.5 Zeitsysteme Sonnenzeit - UT Sternzeit Atomzeit-UTC GPS- und GLONASS-Systemzeit Relativistische Aspekte der Zeitmessung Elektromagnetische Wellen Allgemeine Grundlagen Der DOPPLER-Effekt Phasengeschwindigkeit - Gruppengeschwindigkeit Signalausbreitung in der Erdatmosphare* BPSK-modulierte elektromagnetischer Signale Spread Spektrum Technik Datenmodulation/Codierung durch binare Phasenumtastung Signaldecodierung/Entfernungsmessung Codierung durch PRN-Codes Die Bandbreite BPSK-modulierter Wellen, Signalspreizung Frequenzumsetung, Filter Satellitendatum GenauigkeitsmaBe Eindimensionale GenauigkeitsmaBe Zweidimensionale GenauigkeitsmaBe Dreidimensionale GenauigkeitsmaBe Standardabweichung a als zwei- oder dreidimensionales GenauigkeitsmaB Anforderungen an Navigationssysteme GPS Historische Entwicklung Weltraumsegment Satellitenkonstellation GPS-Satelliten Militarisches Kontrollsegment - ziviler Bahndienst* Militarisches Kontrollsegment* Ziviler Bahndienst des IGS* Signalstrukturen Einleitung Codierung der Signale Erganzende Informationen zu den Codes Die SystemsicherungsmaBnahmen Selected Availability(SA) und Anti-Spoofing (A-S) 167

4 Inhaltsverzeichnis IX 3.6 Die GPS-Navigationsnachricht Struktur der Nachricht Inhalt der Navigationsnachricht Berechnung der Satellitenkoordinaten Referenzsysteme des GPS Positionsangaben Zeit GPS-MessgroBen Entfernungsmessung mit Hilfe des Codes und Datendemodulation Messung der Tragerphase Messung bei eingeschaltetem Anti-Spoofing (A-S) Modellierung der MessgroBen Modellierung der Codephase Modellierung der Tragerphase Gemeinsame Modellierung von Code- und Tragerphasenmessung Behandlung von Phasenspriingen Verfahren zur Festlegung des Mehrdeutigkeitsparameters der Tragermischphase Relative GPS-Positionierung* Relative GPS-Positionierung mit einer Referenzstation* Relative GPS-Positionierung im Referenzstationsnetz* Aspekte der Datenferniibertragung* Genauigkeit Vorbemerkung Fehlereinfliisse bei der Pseudostreckenmessung Genauigkeit bei Auswertung der Pseudostreckenmessung Genauigkeit der Auswertung bei Tragerphasenmessung Merkmale von Empfangern Modernisierung von NAVSTAR-GPS Die zukiinftige Signalstruktur Die zukiinftigen Satelliten Das zukunftige Kontrollsegment Auswirkungen der Modernisierung fur zivile Nutzer Schlussbemerkung GLONASS Historische Entwicklung Weltraumsegment Kontrollsegment Signalstruktur Allgemeine Informationen Signalcodierung 250

5 X Inhaltsverzeichnis 4.5 GLONASS-Navigationsnachricht Struktur der Nachricht Inhalt der Nachricht Berechnung der Satellitenkoordinaten mit Hilfe der Ephemeriden Berechnung der Satellitenkoordinaten mit Hilfe der Almanachdaten GLONASS-Referenzsysteme Positionsangaben Zeit Gemeinsame Nutzung von GLONASS und GPS Verbesserung der Integritat Verbesserung der Verfiigbarkeit Verbesserung der Genauigkeit Bedeutung von GLONASS fur die Praxis Vergleich der Leistungsmerkmale GLONASS - GPS GLONASS Hard-und Softwaremarkt Hard- und Softwaremarkt fur kombinierte GLONASS/GPS- Empfanger Schlussbemerkung Andere satellitengestiitzte Ortungssysteme* ARGOS* EutelTRACS* DORIS* PRARE* INMARSAT Segmente des INMARSAT-Systems Weltraumsegment Bodensegment Nutzersegment INMARSAT-Dienste INMARSAT und Satellitennavigation Europaische Aktivitaten zur Entwicklung eines zivil kontrollierten GNSS EGNOS: Zivile Erganzung von GPS und GLONASS Geplantes System GALILEO Ergebnisse der Definitionsphase von GALILEO Schlussbemerkung 290

6 Inhaltsverzeichnis XI 8 Ortung und Vermessung mit Satelliten in der Praxis Ortung mit Satelliten in der Praxis Adminstrative Aspekte Ortung im absoluten Modus Ortung im differenziellen Modus Vermessung mit Satelliten in der Praxis Besonderheiten satellitengestiitzter Vermessung Auswahl von Hard- und Software Antennenkalibrierung* Vorbereitung der Feldmessungen Statische Vermessung mit Auswertung im Postprocessing RTK-Vermessung Einpassen von GNSS-Messungen in die Gebrauchsnetze Kombination von GNSS mit terrestrischen Messelementen 332 Anhang A: Geodatische Referenzsysteme und -netze in Deutschland 335 A.I Bisherige Systeme und Netze 335 A.I.I Lagesysteme und -netze 335 A.I.2 Hohensysteme und -netze 343 A.2 Zukiinftige Systeme 344 A.2.1 Das neue dreidimensionale Bezugssystem ETRS A.2.2 Das neue Hohenbezugssystem DHNN Anhang B: Terrestrische DGPS-Dienste in Deutschland 349 B.I Genauigkeitsniveau,,Meter" 349 B.2 Genauigkeitsniveau,,Zentimeter" 349 B.2.1 Allgemeines 349 B.2.2 SAPOS-HEPS: Hochpraziser Echtzeit Positionierungsservice der Vermessungsverwaltungen 349 B Einfuhrung 349 B Systembeschreibung SAmS-HEPS 350 B.2.3 ascos: Satelliten-Referenzdienst der Ruhrgas AG 353 B Einfuhrung 353 B Systembeschreibung 353 Anhang C: Datenformate* 355 C.I RINEX* 355 C.2 RTCMSC-104* 357 C.3 NMEA-0183* 360

7 XII Inhaltsverzeichnis Glossar 363 Abkiirzungsverzeichnis 369 Literaturverzeichnis 373 Internetverweise 385 Sachworterverzeichnis 387