Research for the Purpose of Apllying Hybrid GPS-GLONASS GLONASS Satellite Receivers in Practice Untersuchungen zum Einsatz von hybriden GPS-GLONASS

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1 Third Turkish-German Joint Geodetic Days, June 1-4, 1999 Istanbul Research for the Purpose of Apllying Hybrid GPS-GLONASS GLONASS Satellite Receivers in Practice Untersuchungen zum Einsatz von hybriden GPS-GLONASS GLONASS- Vermessungssystemen in der Praxis A. Bilajbegovi University of Applied Sciences Dresden, Germany

2 Gliederung des Vortrags Kurze Darstellung vom GPS und GLONASS Überblick über hybride GPS/GLONASS-Empf Empfänger Software-Pakete für f r hybride Auswertung (GPS+GLONASS) Untersuchung der notwendigen Meßzeit als Funktion der Längen der Basislinien, Anzahl der verfügbaren Satelliten und PDOP-Werte Untersuchung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der hybriden GG Empfänger bei Einsatz im der Rapid- Static-und Static-Me Meßmethode Untersuchung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der hybriden GG-RTK Echtzeitfähiger higer Empfänger Resümee

3 Was ist GLONASS? GLONASS ist das russische Äquivalent zu GPS

4 GLONASS Constellation Status (May 08, 1999) GLONASS Cosmos Plane/ Frequ. Launch Intro Status Outage number number slot chann. date date date / unusable / operating / withdrawn / unusable / operating / operating / operating / operating / operating / operating / unusable / operating / operating / operating / spare / operating / operating / operating / operating Note: All the dates (DD.MM.YY) are given at Moscow Time (UTC+0300)

5 Vergleich GPS vs. GLONASS Vollständiger System-Name Vorgänger- System GPS NAVSTAR - GPS NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System TRANSIT Doppler Sat. system GLONASS GLONASS GLObal naya NAvigatsioannaya Sputnikovaya Sistema TSIKADA Doppler Sat. system Beginn der Entwicklung Satellitenstart 27. Juni Oktober 1982 Informations- Freigabe von Beginn an seit 1988

6 Vergleich GPS vs. GLONASS System- Parameter GPS GLONASS Gesamtanzahl Satelliten Ersatz zur Zeit 27 operativ Ersatz zur Zeit 15 operativ Bahnebenen 6 mit je 4 Slots 3 mit je 8 Slots Inklination 55 64,8 Abstand der Bahnebenen Bahnhöhe km km Umlaufzeit 11h 57 min 11h 15min 44 s Geodätisches Datum WGS 84 Broadcast Ephemeriden PZ 90 Broadcast Ephemeriden Zeitsystem GPS-Zeit GLONASS-Zeit Zeitkorrektur UTC USNO UTC SU

7 Vergleich GPS vs. GLONASS System- Parameter GPS GLONASS Trägerfrequenzen L1: 1575,42 MHz L2: 1227,60 MHz L1: 1602+k.9/16 MHz L2: 1246+k.7/16 MHz Satellitenunterscheidung Codetype für Entfernungsmessungen Codefrequenzen Eine einheitliche Frequenz; viele unterschiedliche Codes Gold-Code (SPS) PRN-Code (PPS) unterschiedlich für jeden Satellit C/A-Code: 1,023 MHz P-Code: 10,23 MHz k=kanalnummer (1-24) Ein einheitlicher Code; viele unterschiedliche Frequenzen PRN-Sequenz gleich für alle Satelliten C/A-Code: 0,511 MHz P-Code: 5,11 MHz Anzahl der Elemente in einem Code

8 Vergleich GPS vs. GLONASS System- Parameter GPS GLONASS Codeperiodendauer Codeübermittlung Bahndaten zu Beschreibung der Satellitenpositionen C/A-Code: 1ms P-Code: 1 Woche bzw. 267 Tage C/A- Code auf L1 P-Code auf L1 und L2 Almanach in Keplerschen Bahnparametern (geringe Genauigkeit) Keplersche Bahnparameter und Veränderung dieser Parameter mit der Zeit zum Zeipunkt des Ephemeridenwechsels jede Stunde Präzise Ephemeriden: ja C/A-Code: 1ms P-Code: 1 Woche C/A- Code auf L1 P-Code auf L1 und L2 Almanach in Keplerschen Bahnparametern (geringe Genauigkeit) Zusätzlich: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung des Satelliten zum Zeitpunkt des Ephemeridenwechsels jede halbe Stunde Präzise Ephemeriden: von Januar 1999 Datenrate 50 bits/s 50 bits/s Übertragung des Almanach 12,5 min. 2,5 min.

9 Formel für f r den Übergang vom Koordinatensystem PZ zum WGS84 X Y Z WGS " 0 X = 033. " 1 0 Y Z PZ X Y Z WGS84 = Wir haben diese Formel benutzt: " 00, 1 0,3919 0,0 X " 25, + 0,3919 1,0 0,0. Y 00, 0,0 0,0 1,0 Z PZ

10 Besonderheiten bei der Auswertung von hybriden GPS/GLONASS-Daten GPS-Ephemeriden sind im WGS84 definiert GLONASS-Ephemeriden sind im System PZ-90 definiert Der Abstand zwischen den beiden Systemursprüngen beträgt etwa 2,5 m. Orientierungsunterschiede der beiden Systemen sind etwa 0,4,, was ca. 39 m in der Satellitenumlaufbahn entspricht. Für r die Meßdatenauswertung werden die Ephemeriden der GLONASS-Satelliten Satelliten von PZ-90 in das WGS84 transformiert. Restfehler in den Ephemeriden beeinflussen direkt die Einzelpunktbestimmung. Radialfehler von höchstens h 2,5 m bei der differentialen Positionierung führen f zu einem Fehler im Maßstab von etwa 0,02 ppm. Ein Fehler von 40 m entlang der Satellitenbahn oder senkrecht zur Bahn führt f zu einer Drehung der Basis von etwa 0,4 und zu einem maximalen Fehler in der Skala von 1,9 ppm. (Funktion vom Azimut der Basis).

11 Zeitreferenzsysteme GPS-Zeitsystem bezieht sich auf die UTC-Zeit (Unterschied nur volle Sekunden) GLONASS-Zeitsystem bezieht sich auf einem UTC-Zeitrahmen der von russischen Organisationen entwickelt wurde. GLONASS-Zeit minus GPS-Zeit = 3 h -13 s ±1 μs. 1 Mikrosekunde entspricht etwa 300 m bei der Einzelpunktbestimmung Bei der differentiellen Positionierung ist der Einfluß dieser Zeitverschiebung wesentlich geringer. Dieser Fehler ist proportional zu d ρ 1 d ρ ) Δ t = dt dt ( 2 (1m s ) Für r eine Basis von 1000 km beträgt der Fehler etwa 0,03 mm. / x 0, s

12 Mehrdeutigkeitsauflösung sung mit GLONASS-Daten Diese Problem treten bei Zweifachdifferenzen bzw. bei Zweifachdifferenzmehrdeutigkeiten auf. ΔΔ N Δλ = = λ l ΔN k ij λ k ΔN l ij Δλ ΔN λ k l ij

13 GPS & GLONASS Spektrum [MHz] Radio-Astronomie K*9/16 GPS GLONASS Inmarsat L1 Frequenzen C/A Code 1997

14 Satelliten-Typen & Lebensdauer GPS Block I (5 Jahre) Block II, IIA (7.5 Jahre) Block IIR (10 Jahre) GLONASS IIc (3 Jahre) war geplant M (5 Jahre) Block IIF (10 Jahre) Ersatz: immer nur ein SV (je Start) Ersatz: drei SVs zugleich (je Start)

15 Vorteile von GLONASS Unabhängigkeit ngigkeit von anderen satellitengestützten tzten Navigationssystemen keine Sicherungsmaßnahmen nahmen wie SA und A-S S (A-S S möglich) m bessere Satellitenverfügbarkeit in polnahen Gebieten durch eine höhere h here Inklination

16 Nachteile von GLONASS jeder Satellit sendet seine eigene Frequenzen (für r die mathematische Auswertung der Meßwerte) begrenzte Satellitenüberwachung instabile Verfügbarkeit der GLONASS- Satelliten

17 GPS-GLONASS GLONASS Empfänger GG-24 von Ashtech L1 Code- und Trägerphase über je 12 Kanäle für GPS und GLONASS GG-RTK Echtzeitfähiger Empfänger

18 GPS und GLONASS Empfänger

19 GPS und GLONASS-Empf Empfänger Geotracer GPS- GLONASS- Empfänger 24 L1 Kanäle Javad Positioning GPS-GLONASS- Empfänger 20 L1 + L2- Kanäle

20 Software-Pakete für f r hybride Auswertung (GPS+GLONASS) Berner Software nur für f r statische Messungen GEONAP? GEOGENIUS 1.6 Voraussetzung: Mindestens von Geotracer WinPrism 2.0 von Ashtech egal jedem System. hybride Pinnacle (JPS) GePos (Zeiss) 4 GPS-Satelliten Satelliten Getrennt GPS und Glonass; zusammen minimal 5 Satelliten, wieviel von Statische und kinematische Auswertung wie WinPrism

21 Verbesserung der Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bei Kombination von GPS und GLONASS im Vergleich zu den Einzelsystemen durchgreifende Kontrolle der Ergebnisse verbesserte Geometrie durch höhere h here Satellitenanzahl Anwendung der RAIM-Technologie möglichm Verbesserung der absoluten Punktpositionierung schnellere und zuverlässigere Lösung L der Phasenmehrdeutigkeiten kürzere Beobachtungszeiten

22 HTW-Testnetz Testnetz für f r Rapid-Static Messungen

23 Ermittlung der notwendigen Meßzeit

24 Entfernungsbereiche der Basislinien Referenzpunkt HTW 1 km 2 km 3 km 4 km 5 km 7 km 10 km

25 Aufteilung der Rohdaten Reduzierung der Rohdaten am Beispiel der Basislinie "1 km" Rohdaten exakt 120 min der Rohdaten 2 x 60 min 4 x 30 min 6 x 20 min 8 x 15 min 12 x 10 min 24 x 5 min

26 Zuverlässigkeit der Lösung L der Basislinien in Abhängigkeit der Basislinienlängen ngen und der Beobachtungszeit % km 5 km 3 km 1 km Beobachtungszeit in min

27 Genauigkeit der Lösung L der Basislinien in Abhängigkeit der Basislinienlängen ngen und der Beobachtungszeit % Beobachtungszeit in min 10 km 5 km 3 km 1 km

28 Abweichung der Basislinienlösungen sungen gegenüber der 2h-Lösung bei fortschreitender Meßzeitverk zeitverkürzungrzung 0,07 Grad der Abweichung in m 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, km 5 km 3 km 1 km 0,06-0,07 0,05-0,06 0,04-0,05 0,03-0,04 0,02-0,03 0,01-0,02 0-0,01 Beobachtungszeit in min

29 Beobachtungszeiten für f r die Messung des Vergleichsnetzes GG Frequenz GPS schlechte Stationsbedingungen 20 min 45 min (starke Abschattung) gute Stationsbedingungen 15 min 30 min (keine Abschattung über 15 Elevation)

30 TESZNETZ FÜR F R RAPID STATIK METHODE HTWD

31 Einteilung der Stationspunkte nach dem Grad der Abschattung Gesamtpunktanzahl 82 keine Abschattung 14 mittlere Abschattung 11 starke Abschattung 57

32 Anzahl der verfügbaren Satelliten am (Referenzpunkt der HTWD) aus GeoGenius TM 1.5

33 Zuverlässigkeit der Lage-Bestimmung WinPrism 2.0 GeoGenius 1.5 % alle keine mittel Grad der Abschattung stark

34 Zuverlässigkeit der HöheH he-bestimmung WinPrism 2.0 GeoGenius % alle keine mittel Grad der Abschattung stark

35 Skyplot des Stationspunktes 170 (am von bis Uhr) PDOP: < 6 Satellitenanzahl: 8

36 Stationsbedingung des Punktes 170

37 Resümee der Messung des Vergleichsnetzes (Rapid-Statik) die Qualität t der Lösungen L ist abhängig von: den Stationsbedingungen der Satellitenanzahl der Beobachtungszeit der Auswertesoftware die ermittelte Genauigkeit ist für f r das Vermessungs-wesen geeignet ( ca 5 mm) ein Einfluß der Basislinienlänge nge auf die Lösungen konnte nicht ermittelt werden grobe Fehler meist bei schlechten Stations- bedingungen

38 Untersuchungen von RTK hybriden GPS-/GLONASS /GLONASS- Vermessungssystemen

39 RTK-Messungen Funkverzögerung = Δt Rover Berechnungszeit = δt Rover Positions- Ausgabe mit t = t 0 +Δt+δt Base Station sammelt GPS Daten zum Zeitpunkt t = t 0 Positionsverzögerung = Δt +δt

40 Prinzip der RTK Messungen mit Korrekturwerten Rover korrigierte seine zum Zeitpunkt t gemessene Pseudostrecke PRM(t) nach der Formel: Korrekturwert zum Zeitpunkt t: PRC(t)=PRC(t 0 )+RRC (t-t 0 ) Korrigierte Pseudostrecke des Rovers zum Zeitpunkt t: PR(t)=PRM(t)+PRC(t)

41 SA-Einflu Einfluß auf RTK Messungen Nach Heimberg (1994) sind unter mittleren SA- Bedingungen die Änderungen der Pseudostrecken in der Größenordnung von 0,3 m/s. Die Beschleunigung liegt in der Größenordnung von etwa 0,005 m/s 2. Da die Beschleunigung als Korrekturwert nicht zur Verfügung steht, ergeben sich aus daraus Fehler in den Pseudostrecken von 2 Δ = 2 b t S b dt = + v t, 2 weil die Geschwindigkeit modelliert ist Δ S = b t 2 2

42 RTK Genauigkeit vs Funkverzögerung Beispiel für f r Ashtech Empfänger Horizontale Genauigkeit (cm) Z-RTK GG-RTK Funkverzögerung (Sekunden) nach Astechquelle

43 Anzahl der benötigten SVs Festsetzen der Mehrdeutigkeiten bei der Initialisierung on the fly Um eine festgesetzte Lösung aufrechtzuerhalten Für eine Float- Lösung GG-RTK GPS+GLONASS 7 (jede Kombination von GPS & GLO) 4 (jede Kombination vom GPS & GLO) 4 (jede Kombination von GPS & GLO) 2-Freq. GPS 5 4 4

44 Untersuchung der Genauigkeit auf der Eichstrecke im Großen Garten Strecke von Basis zu Mit ME 5000 gem.str. [m] Standardabweichun g [mm] Mit GG- 24 gem. Strecke [m] Standardabweichun g [mm] Verbesserungen ohne Phasenkorrektionen [mm] 1 919,8567 0,3 919,861 1,95-4, ,9918 0,3 431,996 1,93-4, ,9322 0,3 407,928 1,96 +4, ,8977 0,3 623,891 2,03 +6, ,8710 0,3 839,862 2,29 +9, ,8691 0,3 935,866 1,85 +3, ,8760 0,3 959,869 2,31 +7,0 =+21,5 σ = V = n 5,8 mm

45 Ermittlung der mittleren Offsets der verwendeten Antennen

46 Vergleich der mittleren Offsets der Antennen Marine IV S/N 5503 und S/N 5518 für r GPS-Signale Signale Antenne Marine IV S/N 5503 Antenne Marine IV S/N 5518

47 Vergleich der mittleren Offsets der Antennen Marine IV S/N 5503 und S/N 5518 für r GLONASS-Signale Signale Antenne Marine IV S/N 5503 Antenne Marine IV S/N 5518

48 Untersuchung der Genauigkeit auf der Eichstrecke im Großen Garten Strecke von Basis zu Mit ME 5000 gem.str. [m] Standardabweichun g [mm] Mit GG- 24 gem. Strecke [m] Standardabweichun g [mm] Verbesse rte GG-24 Strecke [m] Verbesserungen ohne Phasenkorrektionen [mm] Verbesserungen mit Phasenkorrektionen [mm] 1 919,8567 0,3 919,861 1,95 919,8539-4,3 +2, ,9918 0,3 431,996 1,93 431,9889-4,2 +2, ,9322 0,3 407,928 1,96 407, ,2-2, ,8977 0,3 623,891 2,03 623, ,7-0, ,8710 0,3 839,862 2,29 839, ,0 +1, ,8691 0,3 935,866 1,85 935, ,1-4, ,8760 0,3 959,869 2,31 959, ,0-0,1 =+21,5 =+0,2 2 V V σ = 1 = 5,8 mm ohne Phasenkorrektionen; σ = n n = 2,5 mm mit Phasenkorrektionen

49 Resümee Das Ashtech GG-24 hybride Meßsystem ist reif für f r die Rapid- Static-Messungen, die RTK-Messmethode liefert gute Genauigkeit aber schlechte Zuverlässigkeit