GPS-Verfahren - GPS für GIS - HFT Stuttgart · PDF file> 10 m > 10 m 3 m - 0,3 m < 0,05 m GPS DGPS PDGPS ... GIS-Objekte Basisdaten Festpunkte ...

FachhochschuleStuttgart

Hochschule fürTechnik

Vermessung und Geoinformatik

GPS-Verfahren -Einsatzgebiete – Rahmenbedingungen

- Kombinationslösungen

GPS-Verfahren -Einsatzgebiete – Rahmenbedingungen

- Kombinationslösungen

Prof. Dipl.-Ing. Rainer Kettemann

HfT Stuttgart, Schellingstraße 24, 70174 Stuttgart

Tel. 0711/121-2608, Fax 0711/121-2556

Email: [email protected]

GPS für GISim Umweltbereich und Naturschutz

Landesanstalt für UmweltschutzBaden-Württemberg

Baden-Württemberg




Einführung – Allgemeines

Verschiedene GPS-Verfahren

Einflussfaktoren – Zielgruppen der Gerätehersteller

Roverkomponenten – Geräteauswahl

Datumsübergang von Satelliten- in Landeskoordinaten

Alternativen und Ergänzungen zu GPS

Einige Internetadressen

Inhalte




Zeitungsausschnitt (Maut)

In einer festen Position über der Erde verankerte Satelliten bilden hier den Mess- und Fixpunkt für genaue Koordinaten auf der Erdoberfläche ????




Zeitungsausschnitt (GPS-Gerätetest)

Drei müssen es sein ??????Für eine genaue Ortsbestimmung benötigt ein Empfänger mindestens drei Satelliten. Soll auch die Höhe ermittelt werden, so ist ein vierter erforderlich ????????




Das Globale Positionierungs-System (GPS)

Definiert für 24 Satelliten(21 + 3 Reservesatelliten)

am 22. September 200328 verfügbare Satelliten




Das Globale Positionierungs-System (GPS)

100 km

- 20

000

km -

Lösungsverfahren

GPS – Laufzeitmessung

PDGPS – Trägerphasenmessung

DGPS – Laufzeitmessung + Korrekturdaten+ Phasenglättung




(2. Schnittpunkt - 3D)

3D - GPS-Lösung

S1

S2Schnittlinie der Kugeln 1 und 2

Erde

Antenne

S (für Zeit-bestimmung)

1m ========0,000000003s 3 Nano-Sekunden




2D - GPS-Lösung

S1

S2Schnittlinie der Kugeln 1 und 2

Erde

Antenne

S (für Zeit-bestimmung)

1m ========0,000000003s 3 Nano-Sekundenletzter Abstand vom Geozentrum

wird festgehalten




2D - GPS-Lösung - Problem

E r d e

A n t e n n e

S1S2

Höhenänderung

Lageänderung




PostprocessingTelefonleitung

oder Datenträger

Differentielles GPS

1

2

4

3

5

13

52 k3

Basisstation

500 km

20 0

00 k

m

Mobiler Empfänger

k3




Differentielles GPS - Anbieter

1

2

4

3

5

k3

Basisstation

EGNOS

Omnistar

SAPOS

ascos

:

:

PostprocessingTelefonleitung

oder Datenträger

SAPOSascosALLNAV . .




Hochpräzises (geodätisches) GPS

≈ 19 cm L1≈ 24 cm L2

= unbekannt

Messgrößen

Die Trägerfrequenz wird zur Messung verwendet

- 20 000 km -




- 6400 km -- 20 000 km -

<= 5 km/s

- PSR 2 -

Differentielles GPS - Phasenglättung

−−−−====∆∆∆∆S 2 −−−−

−−−−====∆∆∆∆S 3

−−−−· Phasenmessung

PSR2 = 1/2 (PSR2 + PSR1 + ∆∆∆∆S2)

PSR3 = 1/3 (PSR3 + 2(PSR2 + ∆∆∆∆S3))

∆∆∆∆Si = PSRi - PSRi-1




Qualitätsmaß DOP-Wertvereinfachte 2D-Darstellung

Satellitengeometrie spiegelt sich wieder in DOP-WertenDOP = Dilution of Precision; hier gilt: je kleiner desto besser

PDOP, HDOP, VDOP

sehr genau

Sky-Plot bei gutem DOP-Wert




Qualitätsmaß DOP-Wertvereinfachte 2D-Darstellung

Satellitengeometrie spiegelt sich wieder in DOP-WertenDOP = Dilution of Precision; hier gilt: je kleiner desto besser

PDOP, HDOP, VDOP

sehr ungenau

DOP = 1 / Volumenhier: großer DOP-Wert

Sky-Plot bei schlechtem DOP-Wert, z.B. auf Waldweg




Empfangsbedingungen

> 20 m> 10 m> 10 m

3 m - 0,3 m< 0,05 m

GPSDGPSPDGPS

10-20 m




Reflektionenvereinfachte 2D-Darstellung

Signalqualität- Rauschen

SNR=signal to noise ratio- Reflektionen




EmpfangsbedingungenGPS-Empfang in Gebäuden

Trotz ausreichend vieler Satelliten keine brauchbare Position




Auswertestrategien

Hauptsache Koordinaten Wanderer, Radler, Autofahrer, . . . .

Bei Anwendern, die in Bewegung sind, wechseln die Randbedingungen ständig. Es werden alle „auswertbaren“ Signale verwendet.

Alte (zurückliegende) Positionen werden als gleichförmige Bewegung fortgeschrieben und mit neuen verrechnet (Kalman-Filterung)Vorsicht: Durch die Filterung passen

unmittelbar aufeinander folgende Messungen immer gut zusammen




Auswertestrategien

definierbare Qualität GIS-Anwender brauchen i.d.R. zuverlässige Koordinaten!

Im Empfänger kann gesteuert werden, was beim Unterschreiten vorgegebner Qualitätsmerkmale geschieht:

Abbruch oder wenigstens Warnung

DOP – Schranken ( PDOP < 4)SNR – Schranken ( SNR > 6)minimaler Elevationswinkel (>10°) EPE = Estimated Position Error = ???DynamikKorrekturdatenalter (seit 2000 unbedeutend)

Das typische Spurbild ist immer vorhanden. Der Schwankungsbereich ist aber viel kleiner




GPS-EmpfängerSignalverarbeitung

Kommunikationmit Korrekturdaten-

empfänger und Controller

Berechnung von Positionen

(ggf. korrigiert)

Roverkomponenten

Stromversorgung

KoordinatenNMEA / TSIP

bei EGNOS im GPS-

Empfänger integriert

Korrektur-daten-

empfängerRTCM

Basisstation

Extern-Sensoren

• Schadstoff-Messgeräte

• Geigerzähler

• Thermometer

• . . . . .

• Laserentfer-nungsmesserund elektr.Kompass

• Neigungs-messer

Verbindungen: seriell, USB, bluetooth

Display und

Eingabe

Controller und Datenspeicher

qualitäts- und preisbestimmende

Faktoren

Konfiguration




Roverkomponenten und Positionsqualität




für Umweltverwaltung am wichtigsten

Messverfahren und Genauigkeiten

Genauigkeitσ(95%)σ(95%)σ(95%)σ(95%)=

==

=

[m]

SystempreisEuro

Kostenfaktor

GPS-NavigationLaufzeitmessung ca. 10 m << 500

Controller+ Software

DGPS-Navigation

Laufzeitmessung

5

bis

1000

bisController+ Software

0,3 10 000

Geodätisches GPSPhasenmessung < 50 000

Gesamt-ausrüstung + Software

< 5 cm

abhängig von Empfänger, Empfangsbedingungen, Satellitenkonstellation

ggf. mit Phasenglättung+

GPS-Empfänger0,3




Echtzeitanwendung=> Korrekturdatendienst erforderlich!

Einsatzgebiete - Verfahren

GIS-Objekte

BasisdatenFestpunkteEigentumsgrenzen:

LeitungskatasterGas, Wasser, StromPegel:

Differentielle Phasenmessung

GPS-Verfahren

Sonst. AnwendungenLand-, Forstwirtschaft:Umwelt-, Artenschutz:Verkehr

Differentielle Laufzeitmessung

ggf. mit Phasenglättung

stand-alone Lösungen

Eigentumssicherung

Dokumentation von Objekten

Wiederfinden von Objekten

KfZ-NavigationFlotten-management

Genauigkeit

cm

dm

m

10m




Auswahl des GPS-Verfahrens

Feste Objektebei Ersterfassung möglichst genau

• Pegel Höhebetroffenes Grundstück

• Einleiter betroffenes Grundstück

• . . . . .

Spezialisten einschalten oder PDGPS- (DGPS-) Ausrüstung leihen

Wiederfinden ist mit einfachen Gräten möglich.

Sonstige Objekte - Toleranzgrenze bei eigenverantwortlicher Tätigkeit nicht zu hoch setzen sondern an den tatsächlichen Erfordernissen orientieren!




Arbeitsplanung

In freiem Gelände kann sind immer mindestens 4 Satelliten verfügbar.

Manchmal hilft ein Schritt zur Seite.

Bei Arbeiten in kritischen Bereichen:

Aktive Pausenplanungmittels Almanach aus dem Internet

Arbeiten Arbeiten

Beispiel: Leica-Satellitenverfügbarkeit - Kostenloses Programm im Internet




Geographische Koordinaten

Geoid

Ellipsoide:

Punkt auf Erde

lokal gelagert

Bl

global gelagert

Bg




3

3 lokale 7 PT (DX, DY, DZ, RX, RY, RZ, m) z. B. BW_9Grad

Datumsübergang - schematisch

Abweichungen zwischenDHDN und ETRS 89

ETRS 89 - DHDN

Schnittlinie durch Deutschland

1

1 reine großräumige Translation (DX, DY, DZ)

2

2 großräumige 7 PT (DX, DY, DZ, RX, RY, RZ, m)

4

4 lokale 7 PT (DX, DY, DZ, RX, RY, RZ, m) z. B. BY_12Grad




Datumsübergang bei ArcPad

Daten des StadtmessungsamtsStuttgart

Im Shape-File sind Gauß-Krüger-Koordinaten physikalisch gespeichert

Projektionsdatei beschreibt das Bezugssystem der Shape-Daten

Koordinaten vom Empfänger werden „on the fly“ in das Bezugssystem des Projektes umgerechnet

GPS-Datum beschreibt das Bezugssystem der

vom Empfänger ausgeg. Koordinaten




Datumsübergang bei ArcPad

Projektionsdatei beschreibt das Bezugssystem der Shape-Daten

GPS-Datum beschreibt das Bezugssystem der vom

Empfänger ausgeg. Koordinaten

Daten des Stadt-messungsamts Stuttgart

DATUM DATUM SPHERSPHEROID A INVERSE_F GEOGT METHOMETHOD DX DY DZ RX RY RZ DS9001 D_DHDN 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 8233 9603 Geocentric_Translation 587,000 16,000 393,0006314 D_Deutsche_Ha 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 8233 9607 Coordinate_Frame 582,000 105,000 414,000 -1,040000 -0,350000 3,080000 8,300006258 D_ETRF_1989 7030 WGS_1984 6378137,000 298,257223563 8049 9606 Position_Vector 0,000 0,000 0,000 0,000000 0,000000 0,000000 0,00000

706314 D_BW_9_CF 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 208233 9607 Coordinate_Frame 518,193 43,581 466,142 -0,315523 -3,177559 0,911038 9,21092816314 D_BY_12_CF 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 208233 9607 Coordinate_Frame 520,098 73,344 503,702 -0,426951 -3,838057 2,075567 3,92077

apDatums.dbf

PROJCS["BW_9Grad",GEOGCS["GCS_BW_Ref",DATUM["D_BW_9_CF",SPHEROID["Bessel_1841",6377397.155,299.1528128]], _ PRIMEM["Greenwich",0],UNIT["Degree",0.017453292519943295]],PROJECTION["Transverse_Mercator"], _ PARAMETER["False_Easting",3500000],PARAMETER["False_Northing",0],PARAMETER["Central_Meridian",9], _PARAMETER["Scale_Factor",1],PARAMETER["Latitude_Of_Origin",0],UNIT["Meter",1]]

BW_9Grad.PRJ Projektionsdatei langschriftlich




Datumsübergänge für Bayern und Baden-Württemberg

9°

ohne Geoidmodell

DX = -518,193mDY = -43,581mDZ = -466,142m

rot X = 0.315523 ´´rot Y = 3,177559 ´´rot Z = -0,911038 ´´

m = -9,211312 ppm

sP = 18 cmr = 20 cm

sH = 60 cm

DX = -520,098mDY = -73,344mDZ = -503,702m

rot X = 0.426951 ´´rot Y = 3,838057 ´´rot Z = -2,075567 ´´

m = -3,920772 ppm

r = 20 cms0 = 16 cmsH = 80 cm

12°

Coburg

Wettzell

Asten

Roßfeld

München

Nürnberg





GLONASS

Unhealth Satellites2002

20. September 2003 8 Satelliten





GLONASS

Optimale ÜberlagerungQuelle: TOPCON





GNSS-1 EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)ab 2003

GNSS (Global Navigation Satellite System)

GNSS-2 Galileo - 30 GPS-kompatible Satelliten ab 2005 erste Satelliten,ab 2008 voll betriebsfähig

AOR-E PRN 120 (33)

IOR PRN 131 (44)

Artemis PRN 124 (??)

(Garmin Alias)




Literatur – eine Auswahl von URLs

http://gibs.leipzig.ifag.de

www.allnav.ch/wgps.htm

http://home.t-online.de/home/bgalitzki/

www.lv-bw.de/lvshop2/ProduktInfo/sapos/sapos_allg.htm

http://www.sapos.de

http://ascos.ruhrgas.de/

http://europa.eu.int/comm/energy_transport/en/gal_en.html

Danke für´s Zuhören

Fragen zu einem GPS-Intensiv-Seminar im Teilnehmerverzeichnis

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