Kartieren mit GPS. Technologie, Anwendung, Innovation. Klagenfurt, 27. Mai Dr.techn. Ekkehart Grillmayer.

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1 Kartieren mit GPS Technologie, Anwendung, Innovation Klagenfurt, 27. Mai 2010 Dr.techn. Ekkehart Grillmayer Motivation 1

2 GPS Genauigkeitsspektrum Glühbirne Scheinwerfer Laser GPS Navigation 10m DGPS 1m RTK 1cm Raumbeleuchtung Beamer Laserpointer GPS (Haupt-)Anwendungen GPS DGPS RTK Navigation GIS Vermessung 2

3 Anschaffungs- und Betriebskosten cm 20 cm 3 m 30 m Analogien Vorhandene Infrastruktur wird genutzt, auf unterschiedlich Weise, mit unterschiedlichen Resultaten 3

4 Komplexität & KnowHow hoch mittel Vermessungwesen Koordinatensysteme Korrekturdaten GPS Technologie Geo IT Räumliche Zusammenhänge Kartenkunde Navigation wenig gering 3 cm 20 cm 3 m 30 m Merkmalsgenauigkeiten Wie genau ist ein Merkmal (Feature) wirklich festlegbar? Wie genau wird seine Position benötigt? Feldweg/Wanderweg (Achse): 1 m Feldweg/Wanderweg (Rand): 0.5 m Böschungskanten: 1-2 m Gerinneachsen: 1-2 m Waldgrenze: 5 m höchster Punkt eines Hügels: 5 m Wasserleitungen: m Kanäle: 0.05 m Verkehrszeichen: 1 m Ampeln: 1 m 4

5 GPS Grundlagen Prinzip der Positionierung 1 geozentrisches Koordinatensystem 5

6 Positionsprinzip Einweg-Entfernungsmessung Zit Zeitmarke Entfernung Codemessung 6

7 GPS Systemaufbau 30 aktive Satelliten 6 Reservesatelliten 6 Orbitalebenen (55 / 12 h / km) Globale, kontinuierliche Abdeckung 5 Sats. Signale: Code (C/A-, P-Code) Phase (L1 and L2) Satelliten- und Orbitinformationen GPS Monitoring-Stationen 7

8 Systembedingte Fehler Fehlerbudget Fehlerquelle Uhrenfehler Bahnfehler Ionosphäre Troposphäre Selective Availability Summe: Fehler ±3 m ±3 m ± 8 m ± 2 m ± 30 m * ± 16 m ** *) Seit Anfang 2000 aufgehoben **) Da Systematische Fehlervorliegen, ist das FFG nicht anwendbar Einflüsse - Umgebungsbedingt Mehrweg oder Multipath Das Signal vom Satelliten wird an Hindernissen reflektiert ( VW-Bus-Effekt ) Dies resultiert in einem Mischsignal, welches gegenüber der direkten Signal periodisch schwankende Längenmessungen verursacht Amplitude und Periode der Störung sind von der Entfernung des Empfängers zur reflektierenden Fläche abhängig Signalunterbrechungen Durch diffuse Hindernisse im Signalweg wird das Messsignal zerstückelt Bei der Bestimmung der Mehrdeutigkeiten können leicht Fehler auftreten, die durch interne Kontrollmechanismen nicht erkannt werden 8

9 Multipath Signalunterbrechung 9

10 Planungstools Planning: s.py/get/file /SetupPlanning.exe DOP: Dilution of Precision Genauigkeitsfaktor, je geringer desto besser Anzahl der Satelliten Skyplot Sichtbarkeitsdiagramm Planung - Beispiel 10

11 Nutzung von Korrekturdaten Referenzstationen wozu? Allgemein ist mit nebenstehenden Fehlereinflüssen zu rechnen Durch Verwendung eines fest installierten Empfängers können die meisten Einflüsse aber bestimmt werden Fehlerquelle Uhrenfehler Bahnfehler Ionosphäre Troposphäre Selective Availability Summe: Fehler ±3 m ±3 m ± 8m ± 2 m ± 30 m ± 16 m Nachdem die Fehler bekannt sind können diese an die eigentliche Positionsbestimmung angebracht werden Die Genauigkeit kann dadurch auf die rein durch die Empfänger verursachten Fehler gesteigert werden *) Seit Anfang 2000 aufgehoben * 11

12 Uhrenfehler Empfängerseitig Mitberechnen (4. Satellit) Satellitenseitig Referenzmessung auf einem bekannten Punkt Annahme: beide Empfänger sehen den selben Uhrenfehler ERFÜLLBAR Bahnfehler Verfälschen synchrone Messungen gleich Die Projektion des Bahnfehlers auf die Verbindungslinie ist entscheidend Stimmt nicht mehr bei sehr langen Basislinien (> 100 km) Abhilfe: Referenzmessung auf einem bekannten Punkt ERFÜLLBAR 12

13 Troposphäre Erdnächste Atmosphärenschicht (Wetterschicht) Hauptsächlich geprägt durch Luftfeuchtigkeit Annahme: zwei Empfänger die nahe aneinander Daten aufzeichnen sehen die selben Einflüsse leicht Richtungsabhängig, daher einfache Modellrechnung möglich (viele Daten) Abhilfe: Referenzmessung auf einem bekannten Punkt ERFÜLLBAR Ionosphäre Schicht mit freien Elektronen Beeinflusst die Ausbreitungseigen-schaften von EM Wellen Annahme: zwei Empfänger die nahe aneinander Daten aufzeichnen sehen die selben Einflüsse für jeweils einen Satelliten Stark Richtungsabhängig, daher aufwendige Modellrechnung, mind. 2 Frequenzen notwendig Nur in Referenzstationsnetzen oder bei statischen Messungen umsetzbar Limitierung der RTK Reichweite SCHWER ERFÜLLBAR 13

14 Punktbestimmungsverfahren Einzelpunktbestimmung (SPP) Postprocessing korrigiert Echtzeitkorrektur mit einer Basis VRS-Ansatz Einzelpunktbestimmung Eine Lösung je Aufstellung Genauigkeit (typisch): 7-20 m 14

15 dgps Postprocessing statisch eine Lösung je Aufstellung kinematisch eine Lösung je Datensatz Datenaufzeichnung Datenaufzeichnung Genauigkeit (typisch): 30 cm - 3 m dgps Singlebase Lösungen Bekannter Punkt Telemetrie Eine Lösung je Sekunde, Mittelbildung Datenaufzeichnung 15

16 dgps VRS Lösungen Bekannter Punkt Bekannter Punkt Datenaufzeichnung Eine Lösung je Sekunde, Mittelbildung Bekannter Punkt Referenzstationsnetze Das Korrekturverfahren liefert nur bis zu einer Reichweite von ca. 30 km hochgenaue Ergebnisse Fest installierte Empfänger können in Form von Netzen miteinander verknüpft werden Die zentrale Steuerung ermöglicht Stationsabstände von 100 km In Oberösterreich betreiben die EnergieAG, die Linz AG und das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen solche Netze 16

17 Bsp: Netzübersicht NetFocus Zwei Methoden ein Ziel Die Anbringung der Korrekturen kann nach zwei Methoden erfolgen: 1. Im Echtzeitverfahren: über Datenleitung (GSM, GPRS, ) werden die Korrekturdaten abgerufen und direkt im Feld an die Messwerte angebracht 2. Nachauswerteverfahren: die Korrektrudaten werden nach der Rückkehr ins Büro abgefragt g und über eine spezielle Software mit den Aufnahmedaten kombiniert Die technische Lösung ist in beiden Fällen ähnlich.. 17

18 Real-Time Differential GPS Daten einer Referenzstation (auch VRS) werden in Echtzeit am Aufnahmepunkt empfangen Widerauffinden bestehender Features - Die repariert werden sollen - Die überprüft werden sollen VRS Einwahl über Mobiltelefon Integrierte GPS, WAAS, EGNOS und Beacon (und Satelliten-differentielle Technologie) = ein Empfänger, eine Antenne Postprocessed differential GPS Daten einer Referenzstation (auch VRS) werden im Büro mit den Daten des Aufnahmepunkts differenziert Kartieren von Features PP Daten über Internet (online) oder Bestellung bei Provider (zb EAG NetFocus) Unabhängig von der GSM/GPRS Situation Geringere Kosten ( in großen Projekten) Sehr Ausfallssicher Einfacher Ablauf in Trimble PathfinerOffice 18

19 Übungsbeispiel Aufnahme einzelner Merkmale Schwierigkeiten beim Bewuchs Exzentrische Aufnahme Externe Antennen 19