GNSS Flashcards
Was sind Globale Navigationssatellitensysteme?
Globale Navigationssatellitensysteme beschreiben Satellitensysteme, die der Positionsbestimmung auf der Erde dienen. Früher wurden sie für militärische Zwecke entwickelt, speziell das amerikanische Satellitensysteme NAVSTARGPS, welches seit 1995 vollständig ausgebaut ist.
weitere Navigationssatellitensysteme sind:
- GLONASS (russisch)
- GALILEO (europäisch)
- BEIDOU (chinesisch)
Wie ist das System GNSS/GPS aufgebaut?
Das Navigationssatellitensystem GPS besteht aus 3 Segmenten:
- Weltraumsegment
- Kontrollsegment
- Nutzersegment
Was ist das Weltraumsegment?
Das Weltraumsegment besteht aus 24 GPS-Satelliten, die sich in einer Flughöhe von ca. 20.200 km auf elliptischen Bahnen befinden. Diese senden kontinuierlich zwei Trägerfrequenzen aus, welche unterschiedliche Daten wie z.B. in Form von Codes beinhalten. Anhand der Codes kann der Zeitpunkt bestimmt werden, an dem das Satellitensignal gesendet wurde.
Ein weiterer Teil der Daten ist z.B. die Navigationsbotschaft, welche aus Verwaltungsdaten besteht. Diese enthalten:
- Bahndaten der eigenen Flugbahn
- Bahndaten anderer Satelliten (Almanach)
- Angaben zur Störung von Satellitensignalen
Was ist das Kontrollsegment?
Das Kontrollsegment besteht aus militärischen Beobachtungsstationen (1 Masterstation und 5 weitere Stationen), die auf der Erde verteilt sind. Diese nennt man auch Monitorstationen. Diese Beobachtungsstationen überwachen und berechnen die Flugbahnen der Satelliten im Weltraum.
Die daraus entstehenden Daten werden in die Navigationsbotschaft zusammengefasst und über Sendestationen an die Satelliten übertragen. Darüber hinaus werden über die Stationen die Satellitenuhren synchronisiert.
(Bild 11.2.2.)
Was ist das Nutzersegment?
Das Nutzersegment besteht aus reinen Empfangsgeräten, die GPS verwenden. Diese nennt man auch Navigationsempfänger. Beispiele wären:
- Fahrzeugnavigationssysteme
- Mobilfunkgeräte mit GPS
- GPS Empfänger
Dazu gehören auch die militärischen Navigationsempfänger und die Messsysteme im Vermessungswesen.
Es findet lediglich eine einseitige Kommunikation vom Weltraumsegment aus zum Nutzersegment statt.
Wie wird die Position des Empfängers berechnet?
Die Positionsbestimmung basiert auf den Bogenschlag. Im 3-dimensionalen Raum benötigt man 3 Festpunkte und 3 Strecken. Die Satelliten beschreiben die Festpunkte. Durch einen räumlichen Bogenschlag werden die drei Festpunkte (Satelliten) mit den dazugehörigen Strecken miteinander verschnitten. Mittels Zeitmessung wird die Entfernung zwischen Satellit und Empfänger bestimmt. Dies sind aber fehlerhafte Strecken (Pseudostrecken) aufgrund der Zeitdifferenzen. Unter Berücksichtigung des Uhrenfehlers und der Korrelation von Codesignalen wird der Streckenfehler beseitigt.
(Nicht wichtig)
Die empfangenen Codesignale vom Satelliten mit einem Duplikat im Empfänger verglichen und solange verschoben, bis beide Codes zusammenfallen. (Korrelation)
Aus der Verschiebung ergibt sich die Laufzeit t des Signals. Die Entfernung s leitet sich aus dem Produkt zwischen der Laufzeit t und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals c (Lichtgeschwindigkeit) ab.
Bild (11.2.5.)
Wie wirkt sich der Uhrenfehler auf die Positionsbestimmung aus und wie kann er ermittelt werden?
In den Satelliten und im Empfänger sind hochpräzise Atomuhren eingebaut. Diese weichen jedoch zeitlich voneinander ab. Der Uhrenfehler ist ein konstanter Fehler und ist in jeder Pseudostrecke enthalten, weshalb sie dadurch verfälscht sind.
Um den Uhrenfehler zu ermitteln, wird ein vierter Satellit und eine vierte Pseudostrecke benötigt. Damit kann die dreidimensionale Position der Antenne und die Zeit berechnet werden.
Welche Fehlerquellen können die Genauigkeit bei GNSS-Messungen beeinflussen?
Fehlerquellen können im Weltraum- und Nutzersegment sowie im Satellitensignal vorkommen:
Weltraumsegment:
- Satellitenuhrenfehler
- Ephemeridenfehler
- Satellitengeometrie
Satellitensignal:
- Ionosphärische Refraktion
- Troposphärische Refraktion
Nutzersegment:
- Mehrwegeeffekt
- Beugungseffekt
- Abschattung
- Elektromagnetische Störungsquellen
Welche Ursachen können die Fehlerquellen haben und wie können sie vermieden werden?
Satellitenuhrenfehler:
Ursache: Zeitdifferenzen
Vermeidung: Reduzieren der Zeitdifferenzen (z. B. mit Zeitkonstanten)
Ephemeridenfehler:
Ursache: Schwankungen in der Satellitenumlaufbahn
Vermeidung: regelmäßiger Empfang von Korrekturdaten
Satellitengeometrie:
Ursache: Ungünstige Satellitenkonstellation (lineare Anordnung der Satelliten)
Vermeidung: Auf großräumige Verteilung im Raum achten, Anwendung SkyPlot
Ionosphärische Refraktion:
Ursache: Schwankende Sonnenaktivität
Vermeidung: Verwendung von Zwei-Frequenz-Empfängern (L1 und L2)
Troposphärische Refraktion:
Ursache: Unterschiedliche Wasserdampfkonzentrationen in der Troposphäre
Vermeidung: kann nur angenähert werden
Worauf muss vor Messungsbeginn mit GNSS geachtet werden?
Die Lotstäbe mit Dosenlibellen sollten regelmäßig überprüft und ggf. justiert werden.
Die Antennenhöhe muss sorgfältig bestimmt werden. Zudem sollte der Antennentyp bekannt sein.
Wie funktioniert das Prinzip der relativen Postionsbestimmung?
Die relative Positionsbestimmung wird auch als Differentielles GPS (DGPS) bezeichnet.
Die Funktionsweise ist das Eliminieren von Differenzbildungen zwischen zwei Basisstationen (Punkten) mit gleichem Fehler.
Es werden zwei Empfänger aufgestellt, wobei sich ein Empfänger (Referenzempfänger) in der Nähe eines Gebietes befindet, in dem es bekannte Koordinaten gibt .
Aus beiden Empfängern entstehen Koordinaten, die mit den Sollkoordinaten des Referenzempfängers abgeglichen werden. Aus der Differenzbildung entstehen Korrekturdaten, die die Positionsberechnung beider Empfänger verbessern.
In der Vermessung wird das PDGPS verwendet. Ein wesentlicher Unterschied zu DGPS ist, dass zusätzlich Trägerwellen ausgewertet werden. Dafür benötigt man einen Zwei-Frequenz-Empfänger, der diese Trägerwellen (L1 und L2) empfangen und auswerten kann.
Wie funktioniert die Polaraufnahme in Echtzeit?
RTK steht für „Real Time Kinematic“ also übersetzt die kinematische Messung in Echtzeit. Kinematisch bedeutet in dem Sinne, dass zwei Empfänger (Rover und Referenzpunkt) ein Standpunktsystem simulieren, in dem der Referenzpunkt den Standpunkt definiert und der Rover die zu bestimmenden Neupunkte.
Die Echtzeit definiert die sofortige Verfügbarkeit von Korrekturdaten der Referenzstationen.
Kinematisch ist das Messverfahren trotzdem, weil der Rover beweglich ist und keinen Festpunkt definiert, obwohl die Messungen in kurzen statischen Momentaufnahmen erfolgen.
Was bedeutet Postprocessing und wann ist dieses Verfahren sinnvoll und wann nicht?
Beim Postprocessing werden Satellitensignale gespeichert und intern im Büro zusammengeführt und ausgewertet. Die Empfänger durchlaufen hierbei i.d.R. längeren Beobachtungszeiten. Dadurch ist eine hochgenaue Positionsbestimmung im Millimeterbereich möglich.
Das Verfahren ist sinnvoll in Gebieten, in der die Telemetrie versagt. Müssen jedoch viele Punkte bestimmt werden, ist das Postprocessing nicht geeignet, da dies sehr zeitaufwändig wäre.
Welche Vorteile bieten Referenzstationsdienste und wie funktionieren Referenzstationen?
Eine Referenzstation misst permanent die Daten der sichtbaren Satelliten. Diese werden dem Nutzer im Felde zur Verfügung gestellt.
Vorteile:
- Ersatz eines zweiten GNSS-Empfängers
- Zeitersparnis bei Messungen, Auf- und Abbau
Welche Dienste bietet SAPOS an und welche Genauigkeiten werden erreicht?
SAPOS bietet grundlegend drei Dienste an, die je nach Verwendungszweck unterschiedliche Genauigkeiten ermöglichen:
SAPOS-EPS: (Echtzeit-Positionierungs-Service)
- Liefert Korrekturdaten (DGPS)
- Genauigkeit: Lage 30cm-80cm; Höhe: 50-150cm
- Anwendung: Navigation, GIS, Land- und Fortwirtschaft
SAPOS-HEPS: (Hochpräziser-Echtzeit-Positionierungs-Service)
- Liefert Korrekturdaten und zusätzlich Code- und Trägermessungen (PDGPS)
- Genauigkeit: Lage 1-2cm; Höhe: 2-3cm
- Anwendung: Kataster- und Ingenieurvermessungen, Luftbildmessungen
SAPOS-GPPS: (Geodätischer-Postprocessing-Service)
- Liefert Beobachtungsdaten der Referenzstationen im RINEX-Format
- RINEX: Nutzerunabhängiges Format
- Genauigkeit: Lage: <1cm; Höhe: 1-2cm
- Anwendung: REF-Systeme der Landesvermessung
Was sind virtuelle Referenzstationen?
Virtuelle Referenzstationen werden im EPS und HEPS-Verfahren zur Beseitigung von systematischen Fehlereinflüssen berechnet.
Dafür sendet der Empfänger seine ungefähre Position aus der Navigationslösung an die SAPOS-Zentrale. Um Streckenfehler weitgehend zu eliminieren, werden mehrere Referenzstationen herangezogen. Der Nutzer erhält dann Korrekturdaten der ermittelten virtuellen Referenzstation.
