Was passiert in satellitengestützten Referenzstationsnetzen Andreas Bagge Geo++ GmbH D-30827 Garbsen www.geopp.de
Inhalt Zielsetzung eines Referenznetzes GNSS Grundprinzip GNSS Fehlerquellen Differentielles GNSS Entfernungsabhängigkeit RTK Netze Mehrdeutigkeitsproblematik Modellierung der Fehlerquellen, Systemzustand Repräsentation
Zielsetzung eines Referenznetzes Bereitstellung von Diensten zur präzisen Positionsbestimmung homogene Qualität (Genauigkeit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit) einheitliche Bezugssysteme multifunktionale Anwendungen Navigation z.b. ÖPNV, Sicherheitsdienste, Landwirtschaft, Vermessung Kataster, Landesvermessung, Ingenieurvermessung, z.b. Bahn,... Infrastrukturmanagement, GIS Leitungsdokumentation, Energieversorgung, Entwässerung,...
GNSS Grundprinzip
GNSS-Grundprinzip R 2 R 3 R 4 R 1 P =PDOP l Z X Y WGS84 n 4 Beobachtungen:{PR 1 PR 2 PR 3 PR 4 PR n } 4Unbekannte :{ X Y Z t }
GNSS Genauigkeit P =PDOP l P l PDOP - Standardabw. des 3D-Positionsfehlers - Standardabweichung einer Pseudorange - Summe aller Fehler! - Position Dilution Of Precision - Geometriefaktor für die Satelliten Receiver-Konstellation
GNSS Accuracy P =PDOP l gute Geometrie: PDOP = 2 3 gewünschte Positionsgenauigkeit: 2-3 cm erforderliche Genauigkeit der Pseudorange: 1 cm nur mit Trägerphasen aber: systematische Fehler!
GNSS Fehlerquellen
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Wahrer Orbit Fehlereinfluss B Orbit-Fehler Broadcast Orbit Satellitenbahnfehler Z X Y WGS84
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen S Satellitenuhrfehler Fehlereinfluss Z X Y WGS84
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Ionosphäre Fehlereinfluss (dispersiv): - Beschleunigung der Trägerphase - Verzögerung der Codephase I Z X Y WGS84
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Troposphäre Fehlereinfluss: - nicht-dispersive Refraktion T Z X Y WGS84
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Multipath Z Fehlereinfluss M Signal-Interferenenz X Y WGS84
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Antennenphasenzentrumsvariationnen (PCV) Z X Y WGS84 A Fehlereinfluss: Offsets und elev./azim. abhängige Variationen
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen Receiveruhrfehler Z X Y WGS84 4 te Unbekannte t R
Größe der Fehlereinflüsse Fehlerquelle Satellite Orbit Satellite Clock Ionosphere Troposphere Multipath Code Multipath Phase Antenna Absoluter Einfluss 2... 50m 2... 100m 0.5... >100 m 0.01... 0.5 m m mm... cm mm... cm
Absolute ( Stand-Alone ) Positionierung Positionsbestimmung eines einzelnen GNSS Empfängers im System des GNSS voller Einfluss aller Fehlerquellen Genauigkeit bei GLONASS/GPS 5 20 m für viele Anwendungen nicht ausreichend!
Differentielles GNSS
Differentielle ( DGNSS ) Positionierung Ermittlung aller Fehlereinflüsse auf einer bekannten Station Korrekturen Übertragung der Korrekturen zum Rover Anbringen der Korrekturen reduzierter Fehlereinfluss Berechnung der Position mit Code ( DGNSS ) oder mit Trägerphase ( RTK )
Pseudorange-Korrekturen Pseudorange: PR gem. =R 0 S B I T t L R 0 Referenzstation => R 0, t Fehlereinflüsse: Satellite clock S Satellite orbit B Ionosphere Troposphere Multipath, Antenna, Noise: L = M A I T Pseudorange-Korrektur: PRC=PR R 0 t PRC= S B I T L t Receiver clock
Differentielle ( DGNSS ) Positionierung Positionsbestimmung eines einzelnen GNSS Empfängers in Bezug auf eine Referenzstation Reduktion des Einflusses der Fehlerquellen Genauigkeit GLONASS/GPS DGNSS: ½ -3 m + 1-20 ppm RTK: 1-3 cm + 1-20 ppm Problem: Entfernungsabhängigkeit der Fehlereinflüsse! Ursache: Räumliche Variationen zusätzl. Fehlerquelle: Koordinaten der Referenzstation
GNSS-Fehlerquellen Räumliche Variationen
Größe der Fehlereinflüsse Fehlerquelle Absoluter Einfluss Relativer Einfluss Satellite Orbit Satellite Clock Ionosphere Troposphere Multipath Code Multipath Phase Antenna 2... 50m 2... 100m 0.5... >100 m 0.01... 0.5 m m mm... cm mm... cm 0.1... 2 ppm 0.0 ppm 1... 50 ppm 0... 3 ppm m mm... cm mm... cm Hohe räuml. Korrelation Lokal (Kalibrierung)
DGNSS Entfernungsabhängigkeit PRC Broadcast-Korrektur (pro Satellit) entfernungsabhängige Fehler (mindert Qualität mit zunehmender Entfernung) Referenz Rover Distanz
Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit 100 % Verfügbarkei, Zuverlässigkeit Genauigkeit 1 cm Entfernung von Referenzstation
Unvernetzte Referenzstationen bei sehr guten Bedingungen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht
Unvernetzte Referenzstationen bei mittleren Bedingungen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht
Unvernetzte Referenzstationen bei schlechten Bedingungen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht
Unvernetzte Referenzstationen bei extrem starker Ionosphäre Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht
Einfaches RTK: RTK Grenze bei einzelner Basistation PRC RTK Grenze Broadcast Korrektur maximal akzeptierter Fehler für RTK Referenz Entfernung
RTK Netze
Vernetzte Referenzstationen Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit gut schlecht
Vernetzung aus Nutzersicht Nutzer im Feld Einweg-Kommunikation empfängt alle erforderl. Korrekturen/Referenzdaten bestimmt absolute RTK-Position jederzeit/überall 1 cm Genauigkeit cm-genauigkeit überall!
Entfernungsabhängige Fehler aus RTK-Vernetzung PRC Interpolierter Fehlereinfluss Ref 1 Rover Ref 2 Distanz
Mehrdeutigkeitsproblematik
Mehrdeutigkeitsniveau Phasenkorrektur 2 identische Ambiguity Levels unterschiedlicher Ambiguity Level Ref1 Rover Ref2 Distanz
Range Observation Entfernungsmessung R zu 1 Satelliten R Receiver muss irgendwo auf der Kugeloberfläche sein
Geometrischer Ort aus 3D-Entfernungsmessung Entfernungsmessung zu 2 Satelliten R2 R1 Receiver muss irgendwo auf dem Schnittkreis sein
Range Observation R
Mehrdeutige Entfernung (Phase) 1 Satellit 1 l
Ambiguity Search 2 Satelliten
Ambiguity Search 3 Satelliten
Ambiguity Search 4 Satelliten mehr Satelliten weniger Kandidaten
Ambiguity Search: schwache Genauigkeit schwache Genauigkeit mehr Kandidaten
Ambiguity Search: systematische Fehler systematische Fehler falsche Kandidaten
Modellierung der Fehlerquellen
Modellierung der Fehlerquellen Minimierung der systematischen Fehlereinflüsse sicherere Mehrdeutigkeitsbestimmung bessere räumliche Pädiktion für Rover genauere zeitliche Prädiktion möglich komplexe vollständige Modelle für den physikalischen Systemzustand ( State ) aller Fehlerquellen
State Monitoring am Beispiel GNSMART komplettes Zustandsmodell (State Space Model SSM) Multi-station RT Netzlösung höhere Redundanz gegenüber Dreiecksmaschen größere Stationsabstände (sparse networks) robust gegenüber Stations-/Kommunikationausfällen undifferenzierte Beobachtungen komplettes (regionales) Fehlermodell mit Trägerphasen- Genauigkeit undifferenzierte Mehrdeutigkeitslösung
GNSMART: State Monitoring bestimmt den (Fehler-)Zustand des GNSS-Systems Satellite Clock Synchronization Error Satellite Signal Delays (Group Delays) Satellite Orbit Error (Kinematic Orbits) Ionospheric Signal Delays Tropospheric Signal Delays Receiver Multipath (optional) Carrier Phase Ambiguities Receiver Coordinates (optional) Receiver Clock Synchronization Error Receiver Signal Delays (Group Delays)...
Repräsentation
Verfahren der Zustandsrepräsentation Zustandsparameter im Zustandsraum State Space Representation (SSR) funktionale Beschreibung der Fehlerursachen universelle Methode für zukünftige Anwendungen transformierte Zustandsparameter im Beobachtungsraum Observation Space Representation (OSR) entfernungsabhängig wirkende Zustandsparameter werden in den Beobachtungsraum transformiert und mit Beobachtungsdaten der Referenzstationen verknüpft RTCM 18/19, RTCM 20/21 + FKP (Flächenkorrekturparameter) PRS (Pseudoreferenzstation) VRS (virtuelle Referenzstation)
FKP Repräsentation Phasenkorrektur 1 FKP M 1 FKP FKP Repräsentationsfehler 2 Distanz Ref 1 Rover Ref 2
FKP Repräsentation Beispiel GNSMART eine FKP-Ebene pro: Referenzstation (= Basissignal ) Signal (L i, L 0 ) Satelliten PRC Φ optional: Polynome höherer Ordnung Λ
Virtuelle Referenzstation (VRS) Phasenkorrektur Troposphärisches Model übertragen VRS Repräsentationsfehler 1 VRS M Ref V Ref 1 Rover 2 Ref 2 Problem: bewegte (virt.) Referenzstation? Distanz
Pseudo-Referenzstation (PRS) Phasenkorrektur Distanz: Rover erwartet Restfehler PRS Repräsentationsfehler 1 PRS M Ref 1 PRS Rover 2 Ref 2 Distanz
Ambiguity-freie Phasenkorrektur- Differenzen (RTCM 3.1) Phasenkorrektur 1 1 Cor Repräsentationsfehler 12 Cor M 2 Distanz Ref 1 Rover Ref 2
Individualisierte Korrekturdaten mit Geo++ FKP PRS VRS Geo++ FKP: Geo++ PRS: Geo++ VRS: classic VRS: reale Referenzstation sichtbare Referenzstation individualisierte Korrekturen bewegter Rover
Geo++ GNSMART vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit... artist's view of Geo++ building in Garbsen