Inhaltsverzeichnis. 1 Einführung Theoretische Grundlagen... 55

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1 1 Einführung Vermessung, Ortung, Geodäsie Versuch einer Abgrenzung Vermessung ohne Satelliten Arbeitsweise, Ergebnisse Historische Wurzeln des Vermessungswesens Figur der Erde Modell Ebene Modell Kugel Modell Rotationsellipsoid Geoid Verfahren zur Geoid-/Ellipsoidbestimmung Zusammenfassung Definition und Messung von Höhen Stand der Erdmessung vor dem Satellitenzeitalter Überblick über die Erdmessung mit Satelliten Methoden der Satellitengeodäsie Beobachtungsverfahren Ergebnisse der Satellitengeodäsie Referenzsysteme der Geodäsie das Geodätische Datum Referenzsystem, Datumsfestsetzung und Referenznetz Datumsfestsetzung in konventionellen geodätischen Referenzsystemen Datumsfestsetzung bei Lagevermessungen Datumsfestsetzung bei Höhenvermessungen Datumsfestsetzung in globalen Referenzsystemen das Geodätische Datum Datumstransformation Koordinaten der Landesvermessung Ellipsoidische Koordinaten Ebene kartesische Koordinaten Grundprinzip der GNSS-Ortung Absolute Ortung (Stand-alone GNSS) Differenzielle Ortung Theoretische Grundlagen Satellitenbahn Ungestörte KEPLER-Ellipse Gestörte KEPLER-Ellipse Orbittypen Koordinatensysteme Astronomische Koordinatensysteme Terrestrische Koordinatensysteme VII

2 Globale kartesische Koordinaten Globale ellipsoidische Koordinaten Topozentrische Koordinaten Koordinatentransformationen Berechnung terrestrischer Koordinaten aus KEPLER-Elementen Berechnung ellipsoidischer Koordinaten aus kartesischen Koordinaten Berechnung kartesischer Koordinaten aus ellipsoidischen Koordinaten Berechnung topozentrischer Polarkoordinaten Überführen ellipsoidischer Höhen in Gebrauchshöhen Einleitung Höhenberechnung unter alleiniger Verwendung eines Geoidmodells Höhenberechnung unter Verwendung von Passpunkten Einleitung Flächenapproximation durch bivariate Polynome Finite-Element-Darstellung der Höhenbezugsfläche Datumstransformation von Geoidmodellen Digitale Finite Element Höhenbezugsfläche (DFHBF) Zeitsysteme Sonnenzeit UT Sternzeit Atomzeit UTC GNSS-Systemzeiten Relativistische Aspekte der Zeitmessung Elektromagnetische Wellen Allgemeine Grundlagen Mathematische Beschreibung Spektrum der elektromagnetischen Wellen Ausbreitung von Radiowellen Der DOPPLER-Effekt Phasengeschwindigkeit Gruppengeschwindigkeit Signalausbreitung in der Erdatmosphäre Aufbau der Erdatmosphäre Ionosphäre Ionosphärische Refraktion Erfassung der ionosphärischen Refraktion Troposphärische Refraktion Mehrwegeausbreitung (Multipath) Signalbeugung (Signal Diffraction) Elektromagnetische Signale der GNSS Die Frequenzzuweisung Signalbänder der GNSS Prinzipielle Entstehung der GNSS-Signale Basisbandsignal, Bandpasssignal VIII

3 Spread-Spektrum-Technik (Spreizbandtechnik), spektrale Leistungsdichte Modulationsverfahren im Einzelnen PSK-Modulation BOC-Modulation Signalvielfachnutzung (Signal-Multiplexing) Quadraturmodulation Alternative BOC-Modulation Modifizierte Hexaphasen-Modulation MBOC-Modulation PRN-Codes Eigenschaften von PRN-Codes Autokorrelationsfunktion Autokorrrelationsfunktion (AKF), Leistungsdichte und Bandbreite der GNSS-Signale Autokorrelationsfunktion der GNSS-Signale Spektrale Leistungsdichte und Bandbreite der GNSS- Signale Verfahren zur Sicherung der Datenübertragung Hinzufügen von Redundanz Interleaving Frequenzumsetzung, Filter Satellitendatum Genauigkeitsmaße Eindimensionale Genauigkeitsmaße Zweidimensionale Genauigkeitsmaße Dreidimensionale Genauigkeitsmaße Standardabweichung als zwei- oder dreidimensionales Genauigkeitsmaß Anforderungen an Navigationssysteme Arbeitsweise und Systemcharakteristiken Die Systemkomponenten Weltraumsegment Satellitenkonstellation GNSS-Satelliten Bodensegment Bodensegment der Systembetreiber Ziviler Bahndienst des IGS Nutzersegment Die Navigationsnachricht GNSS-Messgrößen Messung der Pseudoentfernung (Codephase) Messung der Trägerphase Bestimmung der DOPPLER-Frequenzverschiebung IX

4 3.4 Modellierung der Messgrößen Modellierung der Pseudoentfernung Herkömmliche Navigationslösung Navigationslösung mit Hilfsdaten (A-GNSS) Modellierung der Trägerphase Grundgleichung Linearkombinationen aus Trägerphasen einer Frequenz Linearkombinationen aus Trägerphasen von zwei Frequenzen Linearkombinationen aus Trägerphasen von drei Frequenzen Gemeinsame Modellierung von Code- und Trägerphasenmessung Glättung der Pseudostrecken Precise Point Positioning (PPP) Behandlung von Phasensprüngen Aufdecken von Phasensprüngen Korrigieren von Phasensprüngen Verfahren zur Festlegung des Mehrdeutigkeitsparameters der Trägerphase Lösung aus der Satellitengeometrie Lösungen mit Suchalgorithmen Mehrdeutigkeitslösungen on-the-fly Relative GNSS-Positionierung Relative GNSS-Positionierung mit einer Referenzstation Differenzielles GNSS (DGNSS) Real-Time Kinematik (RTK) Relative GNSS-Positionierung im Postprocessing Relative GNSS-Positionierung im Referenzstationsnetz Netz-DGNSS Netz-RTK Netzauswertungen im Postprocessing Aspekte der Datenfernübertragung Datenfernübertragung durch DGNSS-spezifische Funkdienste und Frequenzen Datenfernübertragung durch Mobilfunk Datenfernübertragung mithilfe des Internets und Mobilfunks Genauigkeit Vorbemerkung Genauigkeit der Pseudostreckenmessung Nutzer-Streckenfehler Signalausbreitungsfehler Empfängerfehler Gesamtfehlerhaushalt X

5 3.6.3 Genauigkeit bei Auswertung der Pseudostreckenmessung Genauigkeit der herkömmlichen Einzelpunktbestimmung DOP-Faktoren Genauigkeit bei differenzieller Behandlung der Pseudostrecken Genauigkeit der Auswertung der Trägerphasen Genauigkeit bei differenzieller Behandlung Genauigkeit von PPP-Lösungen Merkmale von GNSS-Empfängern GPS das US-amerikanische GNSS Einleitung GPS-Dienste Segmente Weltraumsegment Satellitenkonstellation Satelliten Bodensegment Referenzsysteme Positionsangaben Zeit Herkömmliches GPS Weltraumsegment Bodensegment Navigationsnachricht Struktur der Navigationsnachricht Inhalt der Navigationsnachricht Signalstrukturen Einleitung L1-Signale L2-Signal Formelmäßige Darstellung der Signale Die Systemsicherungsmaßnahmen Selective Availability (SA) und Anti-Spoofing (A-S) Antispoofing (A-S) Selective Availability (SA) Besonderheiten der GPS-Messgrößenerzeugung Messung der Pseudostrecke (Codephase) beim C/A-Code Messung der Pseudostrecke (Codephase) beim P(Y)-Code Messung der L2-Trägerphase bei eingeschaltetem Anti- Spoofing (A-S) Modernisiertes GPS Einleitung Raumsegment XI

6 4.8.3 Bodensegment Navigationsnachricht Die modernisierten Signale M-Codesignal L2C-Signal L5-Signal L1C-Signal GPS-Signale im Überblick GLONASS das russische GNSS Einleitung GLONASS-Dienste Segmente Weltraumsegment Satellitenkonstellation Satelliten Bodensegment Navigationsnachricht Navigationsnachricht des offenen Diensts Navigationsnachricht des autorisierten Diensts GLONASS-Referenzsysteme Positionsangaben Zeit GLONASS-Signale Signale der GLONASS-M-Satelliten Allgemeine Informationen Modulationen/Codes Signale der GLONASS-K-Satelliten GLONASS-Signale im Überblick Compass das chinesische GNSS Einleitung COMPASS-Dienste Segmente Weltraumsegment Satellitenkonstellation Satelliten Bodensegment Navigationsnachricht Referenzsysteme Positionsangaben Zeit XII

7 6.6 Signale B1-Signal B2-Signal B3-Signal Galileo das europäische GNSS Historische Entwicklung Ausbauzustand Das Galileo Dienste-Konzept Segmente Weltraumsegment Satellitenkonstellation Satelliten Bodensegment Galileo-Navigationsnachricht Referenzsysteme Position Zeit Signale Signal E Signal E Signal E IRNSS das indische regionale Navigationssatellitensystem Erweiterungssysteme Globale Erweiterungssysteme Regionale Erweiterungssysteme QZSS das satellitengestützte Erweiterungssystem Japans SBAS satellitengestütztes Erweiterungssystem nach ICAO- Standard Einführung EGNOS das SBAS Europas Besonderheiten von EGNOS Lokale Erweiterungssysteme Marine DGNSS GBAS bodengestützes Erweiterungssystem nach ICAO-Standard Vernetzte Referenzstationen Andere satellitengestützte Ortungssysteme ARGOS EutelTRACS DORIS XIII

8 11 Ortung und Vermessung mit Satelliten in der Praxis Ortung mit Satelliten in der Praxis Administrative Aspekte Ortung im absoluten Modus Ortung im differenziellen Modus DGNSS Netz-DGNSS Vermessung mit Satelliten in der Praxis Besonderheiten satellitengestützter Vermessung Auswahl von Hard- und Software Auswahl der Auswertesoftware Empfängerauswahl Antennenkalibrierung Relative Kalibrierung im Feld Absolute Kalibrierung im Feld Absolute Kalibrierung im Hochfrequenzlabor Vorbereitung der Feldmessungen Erkundung der Punktlagen Auswahl des Beobachtungsverfahrens Kontrolle einer GNSS-Messung RTK-Vermessung Voraussetzungen Varianten der RTK-Vermessung Statische Vermessung mit Auswertung im Postprocessing Varianten der statischen Beobachtung Aspekte der Messungsdurchführung Durchführung der Auswertung Besonderheiten amtlicher GNSS-Vermessungen Einpassen von Lagekoordinaten (Allgemeiner Fall) Einpassen von Lagekoordinaten in das Bezugssystem ETRS Höheneinpassung Kombination von GNSS mit terrestrischen Messelementen Schaffung und Überwachung vermarkter Festpunktfelder Detailaufnahme ohne vermarkte Festpunktfelder Anhang A: Geodätische Referenzsysteme und -netze in Deutschland A.1 Bisherige Systeme und Netze A.2 Neue Systeme Anhang B: Finite-Element-Darstellung der Höhenbezugsfläche Anhang C: Datumstransformation von Geoidmodellen XIV

9 Anhang D: Erzeugung von PRN-Folgen D.1 Allgemeines D.2 Schieberegister D.3 Maximalfolgen D.4 GOLD-Codes D.5 Legendre-Folgen D.6 WEIL-Codes/L1C-Codes D.7 Random-Codes D.8 Tiered-Codes D.9 NEUMANN-HOFMANN-Codes Anhang E: Berechnung der Spektraldichteverteilung bei BOC- Modulationen Anhang F: Berechnung der Satellitenposition F.1 Berechnung der Satellitenposition aus KEPLER-Elementen F.2 Berechnung der Satellitenposition aus Koordinaten-, Geschwindigkeitsund Beschleunigungsvektor F.3 Berechnung der Satellitenposition mithilfe der Almanachdaten (GLONASS) Anhang G: Messgrößenbestimmung G.1 Messung der Codephase (Pseudoentfernung) G.2 Messung der Trägerphase Anhang H: Datenformate H.1 RINEX H.2 RTCM SC H.3 NMEA Anhang I: In Deutschland verfügbare Echtzeit-DGNSS-Dienste I.1 Genauigkeitsniveau Meter I.2 Genauigkeitsniveau Zentimeter Anhang J: Excel-Tabellen und -Grafiken J.1 Einführung J.2 Auflistung der Tabellen J.3 Erläuterung der Tabellen XV

10 Kleines geodätisches Glossar Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis XVI