GPS Grundlagen 1. Das Satellitenpositionierungssystem GPS besteht aus 3 Bestandteilen (Segmenten):

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1 GPS Grundlagen 1 Grundlagen Hinweis: Die Graphiken sind der Internetseite von Frank Woessner ( der Internetseite von und dem Vortrag GPS-Grundlagen (Vortrag von Herrn Wilden innerhalb einer Informationsveranstaltung der Bezirksregierung Düsseldorf vom ) entnommen. Weitere Infos finden Sie unter: NAVSTAR-GPS System (NAVigation Satellite Timing And Ranging -Global Positioning System) nennt man das weltweit nutzbare Positionierungssystem der amerikanischen Streitkräfte (Armee). Dieses Positionierungssystem kann auch zu Positionierung (= Standortsfeststellung) von Personen, Fahrzeugen und Punkten in der Vermessungstechnik benutzt werden. Das Satellitenpositionierungssystem GPS besteht aus 3 Bestandteilen (Segmenten): Weltraumsegment Kontrollsegment Benutzersegment Das Weltraumsegment besteht aus min. 24 Satelliten auf 6 Bahnebenen Das Kontrollsegment verfolgt die Satelliten, aktualisiert ihre Umlaufposition und kalibriert sowie synchronisiert ihre Uhren. Das Benutzersegment besteht aus allen GPS-Empfängern. z.b. mit jeweils 55 Neigung gegenüber der Äquatorebene Die Master-Controll-Station befindet sich in der Nähe von Colorado Springs / USA. Weitere 4 Stationen in Äquatornähe rund um die Erde ermöglichen eine permanente Kontrolle. Handempfänger Positionsbestimmung auf +/- 10 m genau. 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) Zwei-Frequenzempfänger (L1 / L2 Empfänger) Positionsbestimmung auf +/- 1-2 cm genau bei Nutzung von Korrekturwerten.

2 GPS Grundlagen 2 Jeder GPS-Satellit hat genaue Atomuhren und sendet auf 2 festen Frequenzen (L1 und L2) Vereinfacht dargestellt: 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. Auf diese Trägerwellen sind verschiedene Codes aufmoduliert (Phasenmodulation). Beispiel für die Phasenmodulation auf einer Trägerwelle GPS-Signal vom Satellit zum Empfänger Der C/A - Code wird von Handempfängern empfangen und erlaubt eine Positionsgenauigkeit von ca. +/-10 m je nach Satellitenstellungen seit dem Jahr Die Genauigkeit kann bei der Nutzung von Korrekturwerten der Positionierungsdienste (ASCOS oder SAPOS) deutlich verbessert werden. Bei der GPS Nutzung unterscheiden wir: Die absolute Positionierung Codephasenmessung (Wanderer, Fahrzeuge, Schiffe) Die relative Positionierung Trägerphasenmessung (Anwendung in der Vermessungstechnik )

3 GPS Die absolute Positionierung 3 Die absolute Positionierung Bei der absoluten Positionierung eines einzelnen GPS-Empfängers ist mit der Codephasenmessung eine Lagebestimung bis auf ca. +/- 10 m möglich. Dabei wird der C/A Code der Trägerwelle L1 genutzt. Prinzip des räumlichen Bogenschlags: Die Kreise muss man sich als Kugeloberflächen vorstellen. Im Zentrum einer Kugel befindet sich der Satellit. Mit Hilfe der Satellitenstandortkoordinaten (Raumkoordinaten zu einer bestimmtem Zeit) und dem Kugelradius (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. Aufgrund der kurzen Laufzeiten (ca. 0,07sec) eines Signals zwischen Satellit und Empfänger ist jedoch ein Uhrengleichlauf (Synchronisierung) notwendig. Fehlende Uhrensynchronisierung führt zu fehlerhaften Entfernungen (Pseudostrecken) und fehlerhaften Positionsbestimmungen. Wie wird die Empfängeruhr synchronisiert? (Uhrenabgleich mit der Atomuhr im Satelliten) Die Laufzeiten im Beispiel oben sind nicht real, sondern dienen nur der Verdeutlichung der Synchronisierung. Betrachten wir zunächst 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.) Da wir den Laufzeitfehler nicht kennen, stellt sich die Frage: Welcher Punkt ist richtig? Die Laufzeitmessung zu einem dritten Satelliten (3. Kreis) bringt uns Klarheit! Bei einem Laufzeitfehler (6,5 sec) gibt es plötzlich 3 Schnittpunkte B (jeweils die Schnitte zweier Kreise betrachtet). Verschiebt man nun die Zeit der Empfängeruhr solange, bis aus den drei Schnittpunkten B ein Schnittpunkt A wird, so hat man den Uhrenfehler korrigiert und die Empfängeruhr läuft absolut snychron zu den Atomuhren der GPS-Satelliten. Der GPS-Empfänger wird zur "Atomuhr" und die Laufzeit des Signals kann genau bestimmt werden. Merke: Für eine Positionsbestimmung braucht man immer 4 Satelliten. Drei Satelliten für die Lagebestimmung und einen Satelliten für die Korrektur des Laufzeitfehlers.

4 GPS Die relative Positionierung 4 Die relative Positionierung In der Vermessungstechnik wird grundsätzlich nur die relative Positionierung (= Differenzielles GPS ) benutzt. Dabei wird mindestens ein koordinatenmäßig bekannter Punkt (Referenzpunkt) mit einem Empfänger besetzt und die Messdaten werden zeitgleich mit den Messdaten auf dem Neupunkt ermittelt. Die Bestimmung des Neupunkts geschieht relativ (in Beziehung) zum Referenzpunkt. Die Korrekturwerte auf der Referenzstation werden an den Rover (beweglicher GPS-Empfänger) übermittelt. Die Trägerphasenmessung Für genaue Positionsbestimmungen 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 beseitigt werden. In der Praxis nennt man die Zeitphase, die der Empfänger braucht um die Mehrphasendeutung zu beseitigen = Initialisierung.

5 GPS Auswertung der Messung 5 Auswertung der 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 und somit hohe Kosten. Gleichzeitig ist eine Auswertung erst später möglich. Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) hat deshalb den gemeinschaftlichen Aufbau des Satellitenpositionierungsdienst 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 beim LVermA).

6 GPS RTK - Auswertung 6 RTK - Auswertung RTK bedeutet = Real Time Kinematik = Echtzeitauswertung. Diese Methode hat sich immer mehr durchgesetzt und zur verstärkten Nutzung des Satellitenpositionsdienstes SAPOS geführt. Der Vorteil: Man braucht keinen zweiten GPS - Empfänger auf einer Referenzstation. Die Korrekturdaten werden von der fest aufgebauten Referenzstation über die Zentrale und Mobilfunk (Handy) zum Auswerteprogramm am Rover (Mobilstation) übermittelt. Hier werden alle eingehenden Daten zu gebrauchsfähigen Koordinaten (Gauß-Krüger- 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 Virtuelle Referenzstation im Messgebiet. Dadurch hat man kurze Basislinien und genaue Korrekturdaten für die Neupunkte.

7 GPS Fehlereinflüsse beim GPS 7 Fehlereinflüsse beim GPS Bei einer GPS 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 Dieser Einfluss ist sehr klein bei synchronisierten Empfängeruhren und differentiellen Verfahren. Satellitenbahnfehler Diese Fehler führen zu falschen Koordinaten der Satellitenposition. Der Fehlereinfluss bei Differenzialverfahren beträgt ca. 0,1-0,5ppm je nach Länge der Basislinie. 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 Am besten keine Punkte in der Nähe von reflektierenden Gegenständen (Häuser, Autos, Verkehrsschildern ) aufbauen. Vermeidung durch lange Beobachtungszeiten Fehler im Benutzersegment 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. 1ppm = 1mm / km Satellitenverteilung Ungünstige Satellitenverteilung führen zu schleifenden Schnitten und schlechten DOP-Werten (Genauigkeitsverlust)

8 GPS GPS Einsatz in der Vermessungstechnik 8 GPS Einsatz in der Vermessungstechnik SAPOS bietet verschiedene Dienste für unterschiedliche Genauigkeiten an: Aufgabe: Beschreiben Sie mit Hilfe der SAPOS Informationen aus dem Internet (bzw. Prospekte) die unterschiedlichen Dienste (Angebote) von SAPOS.