Präzise Einfrequenz-Positionierung mit dem Galileo E5 Breitbandsignal

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1 Präzise Einfrequenz-Positionierung mit dem Galileo E5 Breitbandsignal Geodätische Woche 2011 / InterGEO Nürnberg 28. September 2011 Ing. habil. Torben Schüler Stefan Junker Herman Diessongo Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Ing. Dipl.-Ing. Universität der Bundeswehr München LRT9.2 - Geodätische Raumverfahren ler (Vortragender) 1

2 Paradigmenwechsel? Gegenwärtige Grundannahme in der präzisen GNSS Positionierung für wissenschaftliche Zwecke (schnelle Positionierung - RTK - außer Betracht): Nur die Trägerphasenmessung bringt die gewünschte Genauigkeit! Mehrfrequenzempfänger nger praktisch immer vorausgesetzt (Elimination d. Ionosphärenfehlers) 1-Frequenz-Positionierung ist nur präzise über kurze Entfernungen (Mitigation( d. Atmosphäre) Ist dieses Denkmuster zukünftig zu revidieren? 2

3 Galileo und COMPASS Galileo-Satellit der Phase FOC-1/IOC Galileo wird ein breitbandiges Signal E5 neben E1 und E6 abstrahlen; E5a (100% kompatibel zu GPS L5) und E5b sind sog. Sub-Carrier von E5. COMPASS (China), Phase III China wird das E5-Signal der Europäer zukünftig auf seine Satelliten kopieren (dort B2 genannt). Warum? 3

4 Geringes Code Rauschen Nicht mehr aktuell! CBOC ist jetzt vorgesehen. Zeit [s] Wim de Wilde et al.: Galileo Test User Segment, GPS World, 1. Juli

5 Geringe Mehrwege-Fehler Werte gelten für: Narrow-Korrelator, siehe auch Dissertation Irsigler; DLR-Kanalmodel für repräsentative Mittelwerte verwendet! Breitbandsignal (Bandbreite > 90 MHz ; typische Empfänger Filter- Galileo E5 Bandbreite > 50 MHz), Nutzung der AltBOC(15,10) Modulation Mehrweg-Unterdr Unterdrückung ist eine Funktion der Filter-Bandbreite (und der Modulation), daher zeigt E5 minimalen Mehrwege-Einfluss im Vergleich zu allen anderen GNSS Signalen! 5

6 Anwendungsspektrum 6

7 1-Frequenz Funktionsprinzip 7

8 Beobachtungsgleichung Vereinfachte Beobachtungsgleichung Code-plus-Carrier : PR + ϕ λ c2 c3 = ρ N f 3 f 4 + SPD kombinierte Beobachtung Mehrdeutigkeit Entfernung Ionosphärenfehler höherer Ordnung troposphärische Laufzeitverzögerung (Slant Path Delay) Standardabweichung dieser kombinierten Beobachtung: σ CPC = PR σ PR + σϕ 2 σ 2 8

9 Reale Leistungsfähigkeit (GPS) Leistungsfähigkeit des CPC-Ansatzes getestet mit realen GPS L1 Messungen (diverse Referenzstationen - hier nur längste Basislinienlösungen betrachtet); Vergleiche mit GPS L1+L2 (ionofrei) Trägerphasen- Auswertungen durchgeführt. Ergebnisse für die 3D-Genauigkeit: 9 cm Tagesdatensatz 3 cm Wochenlösung L1-L2 Trägerphase: 1 cm Tagesdatensatz 0,3 cm Wochenlösung 9

10 Ergebnisdarstellung 10

11 Galileo E5 Leistungspotenzial Demonstration an Hand eines Positionierungsbeispiels im zeitlichen Umfeld des großen Erdbebens von Japan (März 2011); IGS-Station USUD ausgewählt, da diese Station durch das Erdbeben nur um ca. 20 cm verschoben wurde. Nutzung von 3 Referenzstationen (lange Basislinien, km). 11

12 Externe Analyseergebnisse Reference: [IGSMAIL-6367] DEOS/DUT IGS Network Co-seismic Displacements from the March 11, 2011 M8.9 Earthquake in Japan - Version

13 Anmerkungen -Synthetische Daten für den und die Zeiträume 00:00-05:30 h (vor dem Erdbeben) sowie 17:00-23:59 h (danach) generiert. -Zeitliche Auflösung der Daten: 1 Hz (in der Vorverarbeitung genutzt), Blockausgleichung mit reduzierter Auflösung. - Weiterhin Prozessierung mit realen GPS-Daten: GPS L1+L2, Trägerphasenverarbeitung; als Referenzlösung GPS L1 CPC zur Prüfung der Realitätsnähe der simulierten Daten 13

14 Referenzlösung (GPS L1+L2) 23 cm Ionosphären-freie Trägerphasenlösung aus realen GPS Beobachtungen; ermittelte Stationsverschiebung am Ende des Tages beträgt 23 cm. 14

15 GPS L1 (real) CPC LösungL GPS Einfrequenz-Lösung nach CPC Prinzip unter Nutzung realer Beobachtungsdaten; die beiden Punktwolken überlappen sich sehr stark, keine signifikante Stationsverschiebung ableitbar. 15

16 GPS L1 (synthetisch) CPC LösungL 4,2 m 2,6 m Zum Vergleich die GPS L1 CPC Lösung aus synthetischen Beobachtungsdaten; bei niedrigen Elevationen treten hier etwas größere Mehrwege-Fehler auf, ansonsten ähnliches Fehlerverhalten. 16

17 Galileo E5 CPC LösungL Galileo E5 CPC Lösung unter Annahme einer nominellen FOC-2 Konstellation (Walker, 27 Satelliten); die hohe Präzision der CPC Observablen erlaubt eine klare Trennbarkeit. 17

18 Schlussfolgerungen - Galileo E5 CPC Lösungen erheblich genauer als GPS L1, je nach Korrelatortyp mindestens ein Faktor >2, üblicher Weise Faktor 3 bis 4. Erhebliche Genauigkeitssteigerung durch Galileo (und COMPASS Phase III - Walker 24 Satelliten). Methode kann für bestimmte Anwendungen attraktiv werden, sofern E5 1-Frequenz-Empfänger deutlich preiswerter als Mehrfrequenz-System. - Trägerphase-Mehrfrequenz-Positionierung bleibt unangefochten von höherer Genauigkeit. 18

19 SX5 Workshop Mehr Details auf dem SX5 Workshop 18. Oktober 2011 Registrierung über Vielen Dank! 19