Präzise Georeferenzierung durch GNSS in Echtzeit

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1 3. Sächsisches GIS-Forum des GDI e.v. unter Schirmherrschaft des Staatsministers des Innern Präzise Georeferenzierung durch GNSS in Echtzeit Schwerpunkte: 1. Satellitentechnik - Revolution in Geodäsie und Geophysik 2. Präzise Grundlagennetze mit GPS 3. Hoheitliches Fundament hochgenauer Georeferenzierung 4. Echtzeitmessungen im einheitlichen europäischen System 5. Georeferenzierung für INSPIRE / GDI-DE / GDI-SN mit Galileo Vorstandsvorsitzender Prof. Lilienblum Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 1

2 Homer >> Okeanos umfließt Erd-Scheibe / 800 v. Chr. Pythagoras >> Erd-Kugel / v. Chr. Eratosthenes >> Gradmessung ( - 7%) / v. Chr. Kopernikus >> Heliozentrisches System / Galilei >> Grundlagen der Mechanik / Kepler >> Planetenbewegung / Newton >> Rotationsellipsoid / Gradmessungen >> Erd- / Landesvermessung >> 18./ 19. Jahrh. Helmert (1884) physische Erdoberfläche - Geoid - Ellipsoid Topographie Meeres -Höhe Ellipsoidhöhe he Geoidundulation Geo- Zentrum Geoid physikalisches Modell mittlere Meeresfläche Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 2

3 Satellitentechnik Revolution in Geodäsie und Geophysik - ZfV 1963 >> erster künstlicher k Satellit offenbart >> eklatanter Rückstand R der Geodäsie - kein einheitliches, die ganze Erde umspannendes geodätisches Punktfeld - genaueste Methode >> Triangulation >> Küsten der Weltmeere >> unüberwindbare Schranke - gravimetrische Methode krankt >> Lückenhaftigkeit Schweredaten >> fehlen auf den Ozeanen Satellitenbahn Hoffmann, W.: Erdnahe Satelliten im Dienst der Geodäsie Satellit >> aktiver Bezugspunkt Geozentrum Quasi- Inertial-System + / m (1963) Satellitentechnik >> Messung grenzenlos Lösen von Erdoberfläche >> aus dem Kosmos Ausmessen weltweit >> rein geometrisch!! Allwettersystem > operativ >> jede Zeit - jeder Ort gigantische 3D-Genauigkeit >> dm / cm / mm Beibehaltung Gebrauchskoordinatensysteme!! Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 3

4 TRANSIT 1. Satellitennavigationssystem der Welt ab 1958 / US-Navy >> 1960 Start Prototyp Transit-1B >> 1964 Inbetriebnahme seit 1967 auch zivil genutzt / Sendefrequenzen 150 und 400 MHz Zielführung ballistischer Raketen >> U-Boote / Flugzeugträger / 4 Bodenstationen Korrekturdaten alle 12 Std. Satelliten übermittelt / Systemkontrolle >> NAG / Kalifornien seit dem außer Betrieb / Naval Astronautics Group in Point Mugu 6 Satelliten / Polbahnen / Höhe 1100 km / 660 Naut. Meilen Umlaufzeit 107 Minuten / Dopplerbeobachtungen Intervalle ca. alle 2 Stunden / Nav.-Genauigkeit m zivile Hauptanwendung Schiffs- und Flugverkehr Wissenschaft >> Kontinentaldrift genaue Verbindungen Erdmessung / Weltnetz / globale Systeme >> WGS / GRS / ETRS Landesvermessung >> Kontrolle TP-Netze / Prüfung Netzmaßstab statische Beobachtung > 0,3 m >> Fundamentalpunkt Potsdam Transit ist seit dem außer Betrieb Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 4

5 Navigation System with Time and Ranging - Global Positioning System NAVSTAR GPS - weltraumgestütztes funktechnisches Positions-, Navigations- und Zeit-Übertragungs-System - aktuelle 3D-Koordinaten + Geschwindigkeit - Betreiber USA / DoD (Department of Defense) - Systemkonzept Erster Satellit SV 4 (space vehicle) Beginn der GPS-Systemzeit Systemzeit am Versuchsbetrieb 80er Jahre, 2 Bahnen, 11 Starts 63 Bahnneigung, 6 operable Prototypsatelliten - Voller Ausbau 90er Jahre mit 18 / 24 Satelliten - derzeit 27 SV in 6 Bahnebenen mit 55 Neigung - Bahnhöhe km, Umlaufzeiten 12 Stunden - Betrieb: weltweit, sicht- und wetterunabhängige ngige kontinuierliche Ortung / hochpräzise Zeitinformation Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 5

6 GLONASS Reserve >> 3 Bahnebenen >> Bahnneigung 64,8 >> große Halbachse km Höhe km Umlauf 11:15 h 8 / 17 Sterntag Satelliten mit gleicher PRN- Codierung Frequenz ungleich GPS: Frequenzen gleich >> jeder Satellit spezielle Kennung im PRN-Code GLObal'naya NAvigatsionannaya Sputnikovaya Sistema Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 6

7 2. Präzise Grundlagennetze mit GPS Statische Netz-Beobachtungen differentielle Verfahren >> DGPS Basislinien-3D 3D-Netzausgleichung Höchste Präzision >> mm-genauigkeit Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 7

8 Landesfestpunktnetze AP-Bestimmung HAP-Landesnetzpunkte BB Lage- und Höhenfestpunkte für Bahn, Autobahnen, Gewässer BRAREF >> DGPS mit ETRS-Anschluss Referenznetz Brandenburg Punktabstand km Hauptaufnahmepunkte Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 8

9 Netzanschlüsse: sse: - SAPOS-Stationen - DREF-Punkte - SNREF Freistaat - BRAREF Brandenburg - TP-Netze Bundesländer - Anschluss Höhenfestpunkte - Trig-Netze >> Auslandsprojekte Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 9

10 Projekt Alte Seidenstraße Unterstützung Land und Bund Wirtschafts- Förderung Carl Duisberg Gesellschaft e.v. Deutsche Stiftung für Internationale Entwicklung Internationale Weiterbildung und Entwicklung Köln Bundesministerium für Bildung und Forschung GPS-Messung bei Samarkand Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 10

11 Ferganatal zwei Tunnel in Höhe von m Projekt: Alte Seidenstraße Geodäsie sie- Akademie Taschkent nachhaltige Planung und Erweiterung Straßennetz Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 11

12 3. Hoheitliches Fundament hochgenauer Georeferenzierung SAPOS - Referenzstationen Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 12

13 SAPOS-Stationen: Hoyerswerda Löbau Rothenburg mm-genaue Anbindung an europäisches globales System ETRS 89 >>> Echtzeit-Kinematik mit eigener temporärer Referenzstation oder SAPOS-Dienst mit GSM Fundamentale infrastrukturpolitische Basisfunktion Satellitenpositionierungsdienst SAPOS AdV - Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland 260 Satelliten-Permanentstationen Investition 7 Mio Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 13

14 Staatliche Festpunkte (AP mit Sicherungen) >> höchste Genauigkeit in Lage und Höhe >> Ausgleichung 3D-Netz in mm-genauigkeit Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 14

15 Bestimmung von 100 AP mit SAPOS-Stationen Dresden - Hartmannsdorf - Hinterhermsdorf Ermittlung hochgenauer Raumvektoren mit GPS Raumbezug zu Permanent-Stationen im globalen System und Landessystem Stationen im europäischen Koordinatensystem ETRS 89 und RD 83 gegeben 3D-Lage- und Höhenunterschiede der Stationen mm-genau Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 15

16 4. Echtzeitmessungen im einheitlichen europäischen System Real-Time Time-GPS mit SAPOS-HEPS >> Hochpräziser-Echtzeit-Positionierungs-Service >> cm-genauigkeit in Echtzeit / vernetzte Gebiete 1-22 cm >> für r jeden offener und nutzbarer Dienst / in ETRS 89 >> Exportartikel / Deutschland Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 16

17 e 1 t 1 t 2 e 2 e 3 e 4 t 3 t 4 c = m/s e i = t i x c i Entfernung = gemessene Zeit x Lichtgeschwindigkeit mit c i... tatsächliche Ausbreitungsgeschwindigkeit Satellitensignal / elektromagnetische Welle Positionsbestimmung >> Gleichung mit 4 Unbekannten Navigationslösung >> 4 simultane Satelliten für Raum- und Zeit-Bestimmung - unkomplizierte handliche Technik >> Armbanduhr, Handy, Auto, Handheld-Gerät - Genauigkeit: einige Meter Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 17

18 Positionsbestimmung / Navigationslösung: sung: - Entfernungsmessung e 1 als Ein-Weg Weg-Kurzzeitmessung - Empfänger und Satellit erzeugen zeitgleich identisches Mess-Signal - Ermittlung der Zeitdifferenz als Laufzeitunterschied Satellit 1 3D-Position bekannt e 1 Satelliten-Position im kosmischen Raum >> jederzeit im System bekannt Funksignal Satellit >> Info Bahnparameter >> Bahnberechnung durch Nutzer in Echtzeit unbekannte Nutzerposition >> auf Kugelfläche um Satellit 1 >> Radius e 1 Satelliten-Funksignal >> aufmodulierten Rechteckimpulse >>Pseudozufallscode (PRN) Nutzer-Empfänger >> generiert Referenz-Signal >> gleiche Zeit mit gleicher PRN-Struktur Korrelationsanalyse beider Zeit-Signale >> gesuchte Zeitdifferenz >> Raumstrecke e Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 18

19 Satellit 1 Satellit 2 Satellit 3 Satellit 4 e 1 e 2 e 3 e 4 e 5 > km Satellit 5 Positionsbestimmung mit Entfernungsmessung e 1... e n mit Einzel-Empf Empfänger - 2 Schnittlinien / 3 Kugelflächen >> schneiden sich >> Nutzer-Position - aber: 1-Weg-Messung >> Differenz der Uhren zwischen Nutzer >>System << Satellit - Simultanbeobachtung >> Minimum 4 Satelliten >> 3D-Lösung / weitere Satell. >> Überbestimmung - hochgenaue differentielle-echtzeitmessungen >> Initialisierung Nutzer-System >> 5 Satelliten nötig Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 19

20 DGPS in Echtzeit >> Real-Time Time-Kinematik mit eigener temporärer rer Referenzstation 5 synchrone Satelliten-Beobachtungen >> L1 / L2 >> Echtzeit-Korrektur mit Festpunkt-Position 1-2 cm 3D-Genauigkeit Verbindung über Funkmodem Roverstation 1-2 cm Basislinie Referenzstation Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 20

21 SAPOS-HEPS HEPS-Dienst Landesvermessungsamt Feldblöcke landwirtschaftlicher Nutzung Virtuelle Referenzstation >> GSM >> LV Dresden >> Start Server-Programm >> Empfänger >> aktuelle Position aus Navigation >> Beobachtungsdaten nahe SAPOS-Stationen >> Korrekturdaten > GSM >> beliebig schnell bewegt alternativ: Flächenkorrekturparameter SAPOS-Station Station >> Landesvermessungsamt >> Info >> GSM in Echtzeit Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 21

22 Einflüsse >> Modell - reale Physik Einflüsse - Ionosphäre Modell >> Troposphäre << >> reale Physik >> c i --Ionosphäre Bahnbestimmung >> Troposphäre >> Satelliten-Ort >> c i --Bahnbestimmung Einfluß Uhrenfehler >> Satelliten-Ort - Einfluß Uhrenfehler SAPOS- Server Landes- Vermessungsamt Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 22

23 5. Georeferenzierung für r INSPIRE, GDI-DE, DE, GDI-SN mit G a l i l e o Europäisches Satelliten- System Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 23

24 Start Europas GNSS am , 6:19 Uhr MEZ 2. Generation GNSS-2 erster Testsatellit Giove-A Baikonur >> km Höhe 13:51 Uhr >> planmäßiger Betrieb Galileo >> rein zivile Zwecke kein militätisches tisches System (wie GLONASS und NAVSTAR GPS) 2008 Probebetrieb - 4 Satelliten 2010 voller Betrieb - 30 Satelliten Netz von Bodenstationen - Kontrolle Satelliten komfortable terrestrische Zusatz-Dienste Taschenempfänger / Handy /Armbanduhr Positionsgenauigkeit wenige Meter Gesamtkosten >> ca.6 Mrd Gesamt-Ertrag ca. 74 Mrd / Faktor 12 Schaffung ca Arbeitsplätze neue GDI-Produkte >> Dienstleistungen Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 24

25 Bahndaten 3 Bahnebenen Inklination 56 Höhe km je 10 Satelliten >> (Reserve) Abstand 40 >> km nach 10 Tagen und 17 Umläufen gleiche Konstellation volle Kompatibilität t mit GPS >> dadurch ca. 60 Satelliten ständig verfügbar >> Abdeckung in Städten verbessert sich von 50% auf 95% erste Missionsziele Erprobung Rubidium-Atomuhr Test Signalgenerator Strahlungsmessung Sicherung Frequenzrechte MHz / MHz Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 25

26 - Zeiten - Bahnen - Meteorologie - globaler Rahmen >> - VLBI-Beobachtungen - Rechnen - Daten speichern - Daten senden Raumsegment Raumsegment aktive aktive Satelliten Satelliten Galileo-Gesamtsystem Gesamtsystem analog GPS - Laufende Unterhaltung sehr hoch - permanente Überwachung nötig - Koordinatenrahmen nach außen - Komponenten untereinander - GPS-Beobachtunge >> immer WGS 84 - Galileo-Messungen alle ETRS 89 verwendete Ellipsoide fast gleich!! Kontrollsegment Kontrollsegment Master-Kontrollstation Master-Kontrollstation 5 5 Monitor-Stationen Monitor-Stationen Galileo-Hauptkontrollzentrum Oberpfaffenhofen / MünchenM Nutzer-Segment Nutzer-Segment Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 26

27 Gute Übereinstimmung der Referenzsysteme von Galileo und GPS beide nutzen globale Rotationsellipsoide und Systeme >> Geodätisches Datum global - Gesamt-Erde optimiert << oder >> lokal bestanschmiegend Kompromiss >> Approximation Erde >> handhabbare Rechenfläche NAVSTAR GPS >>> WGS 84 geod. Datum / Fundamentalsystem / Referenzellipsiod Galileo >>> GRS 80 globales Referenzellipsoid für europäisches System ETRS 89 Ellipsoid-Parameter WGS 84 / GRS 80 / Bessel 1841 große Halbachse kleine Halbachse Abplattung Ell./global/lokal ,000 m ,315 m 1 : 298, WGS ,000 m ,3141 m 1 : 298, GRS ,155 m ,965 m 1 : 299,15281 Bessel 1841 Südamerika N Nordamerika Topografie Europa Afrika globale Ellipsoide WGS 84 GRS 80 physische Erdoberfläche beste Übereinstimmung von GRS 80 und WGS 84 für r Praxis jederzeit problemloser System-Wechsel lokales Ellipsoid Geoid Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 27

28 neue terrestrische Dienste mit Galileo Offener Dienst >> OS (Open Service) - frei und kostenlos zugänglich >> liefert Daten eigener Position und Uhrzeit - Genauigkeit wenige Meter >> Zeitangaben wie Atomuhr >> Kommerzieller Dienst >> CS (Commercial Service) - zusätzlich kostenpflichtige Navigationsdaten >> Übertragungsrate 500 Bit/sec - Korrekturdaten zur Steigerung der Positionsgenauigkeit >> 1-2 Größenordnungen Frequenzbänder: MHz, MHz und MHz Safety-of of-life-dienst >> SoL - für sicherheitskritische Bereiche >> z. B. Luft- und dem Schienenverkehr - warnt Nutzer innerhalb von sechs Sekunden, wenn System wegen Positionierungsfehler nicht genutzt werden sollte / Frequenzbänder: MHz und MHz Staatliche Dienst >> PRS (Public Regulated Service) - ausschließlich hoheitliche Dienste >> Polizei, Küstenwache, Geheimdienst - als Dual-Use-System >> u. U. Kunden militärischer Bereich Frequenzbänder: MHz und MHz Such- und Rettungsdienst >> SAR (Search And Rescue) - erlaubt weltweite Ortung von Hilfsanfragen, z. B. Schiffe in Seenot - auch einfacher Dialog mit Rettungsstellen >> Zusammenarbeitet COSPAS-SARSAT >> verbessert Schnelligkeit und Genauigkeit der Positionsbestimmung Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 28

29 für GDI-Anwendungen >> völlig v neue Nutzungsbereiche und Produkte >>> Galileo stimuliert hunderte von Vorhaben >> lokale Komponenten Elektronischer Tempobegrenzer EU-Verkehrssicherheitsrat ETSC plant ISA Intelligent Speed Adaption Fahrzeug >> per Chip in ISA integriert via Satellit >> Position und Tempolimit Zwangsbremse >> sanft oder rigeros Vorsorge-Gefahrenabwendung Radarwarnanlage mit Navi-System Crashsensoren >> Position an Dienst System warnt im Gefahrenbereich automatisches Abbremsen des Kfz. aktive Baken >> Straßenzustand Handy-Ortung / lokale Funkdienste Notruf in Not > schnelle Hilfe möglich USA, andere EU-Länder bereits weiter Geo-Dienste GSM / WLAN-Internet Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 29

30 >>> Alternativen? präziser Georeferenzierung mit GNSS? >>> Geodateninfrastruktur goes life?!! Sächsisches GIS-Forum des GDI e. V. 30