Landesamt fŁr Geoinformation und Landentwicklung

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Messverfahren

Codemessung:

z.B. SAPOS® EPS: Erreichbare Lagegenauigkeit: 3-10m (GNSS) bis 0,3m (DGNSS)

 

Das Grundprinzip der Positionsbestimmung mit Satellitenmesssystemen beruht auf der Messung der Entfernungen zwischen der Antenne des Nutzers und mindestens vier Satelliten.

Die Ermittlung der Distanz zwischen Empfänger und Satellit erfolgt dabei durch Korrelation des Satellitensignals (Code) mit einer im Empfänger erzeugten Kopie des Codes. Dabei werden Aussendezeitpunkt des Signals am Satelliten und Empfangszeitpunkt im Empfänger miteinander verglichen, und so die Laufzeit erhalten.

Multipliziert man diese dann mit der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) des Signals, so erhält man die benötigte Strecke zwischen Satellit und Empfangsantenne.

 

 

 

Da die Uhren im Satelliten (Atomuhr) und im Empfänger (Quarzuhr) nicht exakt synchron laufen, sind die Strecken verfälscht und man spricht deshalb von Pseudoentfernungen.

 

Gelöst wird dieses Problem, indem man zu den drei Standpunktunbekannten x,y,z noch eine vierte Unbekannte, den systematischen Uhrenfehler T, hinzufügt. Aus diesem Grund erfolgt die dreidimensionale Standortbestimmung über vier Satelliten. Durch das Aufstellen von vier Gleichungen ist somit eine eindeutige Lösung der vier Unbekannten möglich.

 

Ausgehend von bekannten Satellitenkoordinaten kann so die Position des Standpunktes ermittelt werden. Die GNSS-Empfänger führen diese Positionsberechnungen mit einer Taktrate von 1 Hertz (und mehr) durch, also jeder Sekunde eine Messung.

 

 

Trägerphasenmessung:

z.B. SAPOS® HEPS/GPPS: Erreichbare Lagegenauigkeit: cm (RTK) bis mm (Postprocessing)

 

Erst mit diesem aufwendigen Verfahren ist es möglich, die in der Geodäsie benötigten Genauigkeiten zu erreichen. Gemessen wird dabei die Phasendifferenz zwischen der vom Satellit ausgesandten Trägerphase (z.B. L1, L2, L5) und der Phase des im Empfänger erzeugten Referenzsignals.

 

Bei Trägerphasenmessungen kennt man allerdings nur das Wellenlängenreststück, das heute sehr genau bestimmt werden kann.

Die zur Entfernungsmessung notwendige Anzahl der ganzen Wellenlängen (Phasenmehrdeutigkeit, Ambiguities) ist allerdings nicht so einfach zu bestimmen, da sich der Sender (Satellit) in ständiger Bewegung befindet und der Anfangszählerstand unbekannt ist.

 

Für die schnelle Bestimmung der Ambiguities wurden deshalb leistungsfähige Algorithmen entwickelt. Zum Beispiel die Kombination von Code und Trägerphasenmessung, wobei die Codes als zusätzliche Messwelle aufgefasst werden. Eine zweite Methode sind Mehrdeutigkeitssuchfunktionen, bei der mit Hilfe statistischer Kriterien nach einer Lösung gesucht wird.

 

Bei Echtzeit Messungen hat das in der Praxis zur Folge, dass vor jedem Messbeginn der Empfänger zunächst die Phasenmehrdeutigkeiten von mindestens 5 Satelliten lösen muss. Die Güte dieser Initialisierung, und damit auch die Genauigkeit, hängt unter anderem von der Signalqualität, der Anzahl der Satelliten, der Entfernung zur Referenzstation (bei DGNSS) und von den genutzten Trägerphasen ab (L1, L1+L2, L1+L2+L5).

 

 

Messen mit Differential GNSS (DGNSS)

 

Funktionsweise von DGNSS:

Bei voller Ausschöpfung des technischen Potentials von GNSS ist es mit einem Empfänger möglich, sich in Echtzeit mit etwa 3 m Genauigkeit zu positionieren. Um die Genauigkeit zu steigern, ist es notwendig die dabei wirkenden Störeinflüsse wie Uhrfehler, Troposphäre, Ionosphäre, ungenaue Bahndaten..... usw. zu eliminieren oder wenigstens zu minimieren. Aus diesem Grund wird GNSS im Vermessungswesen fast ausschließlich als relatives Messverfahren eingesetzt. D.h. es werden Koordinatendifferenzen zwischen zwei "benachbarten" GNSS-Antennen/Empfängern bestimmt. Empfangen beide Antennen zur gleichen Zeit dieselben Satelliten, so können durch die Bildung von sog. Doppeldifferenzen ein Großteil der Fehlereinflüsse eliminiert werden.

In Kombination mit dem Codemessungsverfahren können so Genauigkeiten im Dezimeter-, mit Trägerphasenmessungen im Zentimeterbereich erzielt werden.

 

 

Die Arbeitsweise der Referenzstationen:

Ursprünglich wurde das DGNSS-Prinzip in der Art angewandt, dass ein GNSS-Empfänger von dem Nutzer in der Mitte des Messgebiets fest aufgebaut und dort permanent betrieben wurde (Referenzstation). Mit dem zweiten Empfänger, dem Rover, wurde dann die eigentliche Vermessung durchgeführt. Am Ende eines Messtages wurde die Messanordnung abgebaut, und im Büro ausgewertet.

 

Um sich diesen Aufwand und die Kosten für eine zweite Ausrüstung zu ersparen, wurden von den Landesvermessungsämtern die permanenten SAPOS®-Referenzstationen aufgebaut. Diese ermitteln für ihren Standort Korrekturwerte, die sie dann den Nutzern unter der Annahme mitteilen, dass die Messungen, die in der Nähe der Referenzstation durchgeführt werden, denselben systematischen und atmosphärischen Fehlern unterliegen.

 

 

 

 

Da die Korrekturwerte von einzelnen Referenzstationen mit zunehmender Entfernung an Gültigkeit verlieren, werden alle SAPOS®-Referenzstationen in eine Vernetzung eingebunden. Dabei sind alle Stationen per Datenleitung mit einem Kontrollzentrum verbunden. Dort empfängt ein Computer ohne Unterbrechung im Sekundentakt die Rohdaten aller Referenzstationen und aktualisiert damit fortlaufend eine Datenbank mit Korrekturdaten.

 

Dadurch erhält der Nutzer nicht mehr Korrekturdaten von nur einer Referenzstation, sondern kann Korrekturen verwenden, die z.B. aus den sechs nächsten Stationen berechnet werden (VRS).

Vorteile dadurch sind eine höhere Genauigkeit unabhängig von der Entfernung zur Referenzstation, unabhängige Kontrollen der Daten, sowie sichere und schnellere Initialisierungen auch bei schwierigen Bedingungen (z.B. erhöhte ionosphärische Aktivität).

 

Bei der Übertragung der Korrekturwerte wird ein international vereinbartes Datenformat, das RTCM-Format, verwendet. Übersendet werden die Korrekturdaten in Baden-Württemberg per Mobilfunk.

 

 

VRS, FKP, MAC

 

SAPOS® bietet den Kunden drei unterschiedliche Vernetzungsrepräsentationen zur Korrekturdaten-bestimmung:

Virtuelle Referenzstation (VRS), Flächenkorrekturparameter (FKP) sowie Master-Auxiliary Concept (MAC).

Bei der Frage, welches Verfahren die besten Ergebnisse liefert, gehen die Meinungen auseinander. Alle drei sind hochgenau und kosten auch die gleichen SAPOS®-Gebühren.  Abgesehen davon weisen sie folgende Besonderheiten und Unterschiede auf:

 

VRS:

Bei der Berechnung einer virtuellen Referenzstation wählt der Rover im Feld die Vernetzungszentrale an, und sendet ihr seine ungefähre Position aus der Navigationslösung. Daraufhin werden die Korrekturen für die entfernungsabhängigen Einflüsse der nächsten Referenzstation an diese Näherungsposition "verschoben".

Die Berechnung dieser Fehlereinflüsse erfolgt in Baden-Württemberg aus insgesamt sechs umliegenden Referenzstationen. Der Nutzer erhält danach für diese Näherungsposition generierte Rohdaten, also Messdaten von einer Referenzstation, die scheinbar ganz in seiner Nähe ist.


Der Vorteil dabei ist, das der Rover nur eine sehr kurze Baseline zur VRS berechnen muß, wodurch eine Minimierung aller entfernungsabhängigen Fehlerquellen erreicht wird. Danach löst der Rover seine Phasenmehrdeutigkeiten und berechnet seine korrigierte Position.


Erfolgt keine neue Initialisierung, bleibt die Position der VRS während der Messung erhalten. Sobald sich der Rover weiter als 2 km entfernt, wird eine neue VRS berechnet. Baden-Württemberg bietet die VRS für GPS und GLONASS Satelliten an.

 

Das Konzept der VRS kann auch für Postprocessing-Anwendungen realisiert werden. Wegen seiner höheren Genauigkeit sollte ihm gegenüber festen SAPOS®-Referenzstation beim RINEX-Download der Vorzug gegeben werden.

 

FKP:

Die zweite Möglichkeit besteht darin Flächenkorrekturparameter zu ermitteln. Auch hier schickt der Rover seine Näherungsposition an die Vernetzungszentrale. Diese schickt ihm dann korrigierte Rohdaten der nächstgelegenen (Master-) Referenzstation und Flächenkorrekturparameter (FKP) zurück.


Die FKP werden von der Zentrale für jeden empfangenen Satelliten generiert, und definieren die Neigung einer Korrekturfläche in N-S und O-W Richtung. Außerdem werden die ionosphärischen von den troposphärischen Anteilen separiert. Somit stehen für jeden Satelliten vier FKP zur Verfügung.


Mit diesen Parametern, die eine Korrekturfläche zwischen der Masterstation und weiteren umliegenden Referenzstationen definieren, kann der Rover die Fehlerdifferenzen seines Standpunktes zur Masterstation bestimmen.

Danach berechnet er die Basilinie zur Masterstation, löst die Phasenmehrdeutigkeiten und berechnet seine korrigierte Position.
Baden-Württemberg bietet FKP nur über Ntrip mit GPS- und GLONASS-Satelliten an.

 

 

 

 

 

MAC:

Beim Master-Auxiliary-Concept (MAC) ist die Ausgangssituation identisch. Wie bei den beiden anderen Verfahren, laufen in der Zentrale kontinuierlich die Rohdaten der einzelnen Referenzstationen zusammen, wo deren Phasenmehrdeutigkeiten festgesetzt werden.

 

Wenn der Rover seine Näherungsposition an die SAPOS®-Zentrale schickt, erhält er im Gegenzug die korrigierten Rohdaten aller Satelliten der nächstgelegenen Referenzstation (Master-Station).

Von den umliegenden Referenzstationen (Auxiliary-Stations) bekommt er zusätzlich die Koordinatendifferenzen zwischen der Master- und den Auxilliary-Stations, sowie für alle gemeinsam mit der Master-Station empfangenen Satelliten, für die SAPOS® die Ambiguities lösen konnte, ionosphärische und geometrische Korrekturdifferenzen.


Die Software im Nutzerempfänger entscheidet dann selbständig, in welcher Form sie die Korrektionen zur Standortbestimmung interpoliert und welche Auxiliary-Stations sie dafür verwendet, um dann die Basislinie und die exakte Nutzerposition zu berechnen.

 

Somit ist das wichtigste Merkmal des MAC, dass der Rover den größten Teil der Berechnungen selbständig durchführt, was allerdings nur von modernen Empfängern/Software geleistet werden kann.

 

Hinweis: Um die Datenübertragungsmenge zu begrenzen, werden, wie von der AdV empfohlen, lediglich Daten von fünf Auxiliary-Stationen versendet. Das MAC wird in Baden-Württemberg mit GPS- und GLONASS-Satelliten und nur in Kombination mit Ntrip angeboten.