(GNSS) Positionierungsgenauigkeit und...

(GNSS)(GNSS) PositionierungsgenauigkeitPositionierungsgenauigkeit(GNSS)(GNSS)‐‐ Positionierungsgenauigkeit Positionierungsgenauigkeit 

undundundund

KoordinatenbezugssystemKoordinatenbezugssystem

Robert Weber (TU‐Wien)( )TU – Wien,  20. Mai 20157. OVN Get‐together

Agenda

GNSS-PositionierungsgenauigkeitGNSS Positionierungsgenauigkeit

Fehlerbudget

Koordinaten – Bezugssysteme

Conclusio

GNSS PositionierungGNSS Positionierung

Quelle: http://www.insidegnss.com/aboutgps

IonosphäreIonosphäre

Troposphäre

Fehlerbudget

• Messverfahren ‐‐ zufällige Fehler  • Messverfahren ‐‐ systematische Fehler• (Messverfahren ‐‐ grobe Fehler)

• BZS Fehler – Definition ReferenzrahmenBZS Fehler  Definition Referenzrahmen• BZS Fehler – Transformationsparameter• BZS Fehler – AbbildungBZS Fehler  Abbildung• BZS Fehler – Inhomogene AbbildungskoordinatenAbbildungskoordinaten

Beobachtungsgleichungen

PSR,i + v S

R,i = SR + S

R,Ion,i + SR,Trop + S

R,rel + c*tR - c*tS

L SR,i + v S

R,i = SR - S

R,Ion,i + SR,Trop + S

R,rel + c*tR - c*tS + i*NSR,i

Die Codebeobachtungsgleichung repräsentiert eine

Streckenmessung mit einem Sensorrauschen von

ca. +/- 20cm

Die Phasenbeobachtungsgleichung repräsentiert eine

Streckenmessung mit einem Sensorrauschen von

ca. +/- 1.5 mm (bei korrekter Lösung der Mehrdeutigkeiten)( g g )

GPS Performance/ Definitions SPS Signal Specifications 2009g p

PDOP Availability:• Requirement - PDOP of 6 or Less, 98% of the Time or Better• Actual - 99.98495%

Horizontal Service Availability• Requirement - 95% Threshold of 17 meters, 99% of the Time or Better

A t l 2 75 t• Actual – 2.75 meters

Vertical Service AvailabilityRequirement 95% Threshold of 37 meters 99% of the Time or Better• Requirement - 95% Threshold of 37 meters, 99% of the Time or Better

• Actual – 3.98 meters

User Range ErrorUser Range Error• Requirement - 4 meters or Less, Constellation Average• Actual - 1.12 meters

Positionsfehler = UERE * DOP

DOP = Maßzahl der Schnittgüte 

= Geometrie der sichtbaren Satelliten

Wir unterscheiden entsprechend den Koordinatenkomponentenzwischen

HDOP = Horizontal

VDOP = Höhe

PDOP = 3D Position

GDOP = 3D Position + Zeit

schlechte Geometrie = hohe DOP Zahl (z.B > 8)

h t G t i kl i DOP Z hl < 3 ( i 1 3)sehr gute Geometrie = kleine DOP‐Zahl < 3 (min=1.3)

Erwartbare Genauigkeit der Einzelpunktbestimmung

a) SPS                                                    +/‐ 3 m  Lage+/‐ 4 m Höhe

b) (SBAS)                                               +/‐ 1m Lage+/ 2 Höh+/‐ 2m Höhe

c) PPP besser als 5cm nachc) PPP                                                   besser als 5cm nachKonvergenzzeit

Quelle: K. Huber (INAS,TU‐Graz)

Erwartbare Genauigkeit von Differenzverfahren

a) DGPS Positionierung                     +/‐ 50 cm Lage+/‐ 80 cm Höhe

b) RTK präzise Positionierung         +/‐ 1‐2cm Lage+/ 1 2cm Lage+/‐ 3‐4 cm Höhe

(Code+Phase(Code+Phase, 

Initialisierungszeiten 10‐60 sec)

c) Postprocessing +/‐ 2‐3 mm

FehlerbudgetFehlerbudget

• Messverfahren ‐‐ zufällige Fehler  • Messverfahren ‐‐ systematische Fehler• (Messverfahren ‐‐ grobe Fehler)

• BZS Fehler – Definition ReferenzrahmenBZS Fehler  Definition Referenzrahmen• BZS Fehler – Transformationsparameter• BZS Fehler – AbbildungBZS Fehler  Abbildung• BZS Fehler – Inhomogene AbbildungskoordinatenAbbildungskoordinaten

?? Koordinatenbezugssystem ???? Koordinatenbezugssystem ??

ICRS

MGI

Etwas Ordnung ?

ICRS ITRS ETRS PZ90WGS84Systeme:

raumfest ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ erdfest ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐

Rahmen: ………ITRF ETRF GTRF

DHDNMGIGeod

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ Bezugsepoche beachten ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐

CH1903DHDNMGIGeod. Datum: ………CH1903+

Abbildung, Grid: TM GK Lambert UTM ………

Beispiel ICRS / ICRF   (raumfest)

GNSS Satellitenbahnen ‐ aber – nicht GNSS‐Koordinatenzielsystem  

Beispiel erdfest: WGS84  (GPS)  Control Network

Source:  http://www.gps.gov/systems/gps/control

(SPS) GPS‐Koordinatenzielsystem ‐ aber ‐ ‚genau‘ genug ?   

Beispiel ITRF  / ITRF2008 Stationen

GeodätischerglobalerGNSS

http://itrf.ensg.ign.fr/

GNSS ‐Koordinatenrahmen

bp g g

‐aber ‐

Version,Bezugsepoche ?

http://www.iers.org/

…. ….

….

Beispiel ETRF   ‐ Koordinatenzeitreihe Graz

Geodätischer Europäischer  GNSS Koordinatenrahmen ‐ aber ‐Referenzepoche ‚veraltet‘ ?   ITRF – ETRF (2015.0) ca. 65cm !!!

Wesentliche erdfeste Bezugssysteme / BezugsrahmenZusammenfassung

WGS84 (World Geodetic System; GPS – Basissystem): Stationendes GPS‐Systembetreibers (5‐20)GPS P iti i h Diff bild li f t WGS84GPS Positionierung ohne Differenzbildung liefert WGS84Koordinaten (+/- 3m) in Relation zu ITRF Koordinaten

PZ 90‐2 ( Parametry Zemli 1990; Glonass Basissystem): Stationendes GLONASS ‐Systembetreibers (wenige)

GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame)

ITRF (International Terrestrial Reference Frame): mehr als 300ITRF (International Terrestrial Reference Frame): mehr als 300global verteilte Stationen; Genauigkeit ca: 0.5cm; DiePlattenbewegung verursacht Veränderungen der Koordinatenbis zu 8cm /Jahr, deshalb gibt es periodisch neue Versionen desITRF.

( l f ) hETRF (European Terrestrial Reference Frame) : Epoche 1989.0Referenzrahmen für europ. Geodatenaustausch / INSPIRE

RTK: Referenzstationsnetze – Systemaufbau (schematisch)

Koordinatenbezug für Differenzverfahren

Koordinaten gewonnen unter Nutzung von Referenzstationsnetzenbeziehen sich jeweils auf den Referenzrahmen des Netzbetreibersbeziehen sich jeweils auf den Referenzrahmen des Netzbetreibers.

GNSS Echtzeit‐Positionierung mit Differenzbildung (Phase+Code)liefert Koordinaten im (+/‐ 1‐3cm) Genauigkeitsbereichliefert Koordinaten im (+/ 1 3cm) Genauigkeitsbereich.

GNSS (Postprocessing‐Positionierung mit Differenzbildung(Phase+Code) kann bei ausreichend langen Aufstellungszeiten(Phase+Code) kann bei ausreichend langen AufstellungszeitenKoordinaten im (+/‐ 1‐3mm) Genauigkeitsbereich liefern.

(1) Bezugs System Fehler – Definition ReferenzrahmenFragen ( BZS 1) : richtiges Bezugssystem ?

richtige Bezugsepoche ?

(1) Bezugs‐System Fehler – Definition Referenzrahmen

richtige Bezugsepoche ?

Fehler in der Wahl des Referenzrahmens bzw. der Bezugsepoche können Koordinatenabweichungen im Bereich von cm – mehreren dm hervorrufen.

Das geodätische Datum

Transformation in nationales Datum

7‐Parameter  T / Helmert T / räumliche Ähnlichkeits T

Modell Bursa‐Wolf

yz X1XX

ITRFxy

xz

LV ZY

11)m1(

ZY

ZY

Modell Molodensky Badekas

P

P

P

P

xz

yz

YX

YYXX

mYX

YX

11

)1(

PITRFPxyLV

ZZZZZ 1

(2) Bezugs‐System Fehler – Transformationsparameter

Fragen ( BZS 2) : richtiges Transformationsmodell ?( 3 Parameter 5 Parameter 7 Parameter)( 3‐Parameter, 5 –Parameter, 7‐Parameter)(Bursa‐Wolf, Molodensky‐Badekas)(Koordinaten‐ oder Achsentransformation)richtiger Parametersatz ?Gültigkeitsbereich des Parametersatzes?Transformationsrichtung (ITRF <‐> MGI)?richtiger EPSG Code ?i h i k d / i hlrichtiger RTCM‐Korrekturdatenstrom/Einwahl………

Fehler in der Wahl des Transformationsmodells  bzw. der Transformationsparameter können Koordinatenabweichungen p gim Bereich von m – mehreren km  hervorrufen.

Abbildungen

TransversaleMercatorprojektion p j(UTM, GK,..)

LambertSchnittkegelprojektion

Ungewöhnliche Abbildungen

Entwurf von Bretterbauer (Flagge) Retroazimutalprojektion von Hammer

(3) Bezugs‐System Fehler – AbbildungFragen ( BZS 3) : gewählte Abbildung = Landesabbildung ?

richtige Parameter der Abbildung ?richtige Parameter der Abbildung ?

Üblicherweise treten hier keine/wenig Probleme auf außerbei speziellen Landesabbildungen oder unüblicher Wahl derAbbildungsparameter

Inhomogene Abbildungskoordinaten/LandeskoordinatenInhomogene Abbildungskoordinaten/Landeskoordinaten

GK‐ Residuen bezogen auf mittleren TransformationsparametersatzGK Residuen bezogen auf mittleren Transformationsparametersatz

Historisch bedingte Netzspannungen

Historisch bedingte ‚Verzerrungen der Landeskoordinaten‘ können miteinem Residuenrastermodell kompensiert werden. Dieser Residuenrasterkann dem Nutzer mittels RTCM 3.1 in Echtzeit übermittelt werden oderim Postprozessing mit Hilfe eines Transformationsmoduls berücksichtigtim Postprozessing mit Hilfe eines Transformationsmoduls berücksichtigt werden.

(4) Bezugs‐System Fehler – Inhomogene Abbildungskoordinaten(4) Bezugs System Fehler  Inhomogene Abbildungskoordinaten

Fragen ( BZS 4) : richtiger Bezugstransformationssatz ?frichtiger Bezugsrahmen für Raster?

Höhenkomponente?F hl ( d Ni htb ü k i hti ) i d W hl dFehler (oder Nichtberücksichtigung) in der Wahl des Bezugstransformationssatzes oder des gewählten Rastermodells können Koordinatenabweichungen im BereichRastermodells können Koordinatenabweichungen im Bereich von dm – mehreren m  hervorrufen.

ConclusioConclusio  Die dem GNSS‐Sensorsystem und dem Auswertemodell innewohnenden 

Fehleranteile sind nur ein Aspekt des gesamten FehlerhaushaltesFehleranteile sind nur ein Aspekt des gesamten Fehlerhaushaltes.

Die Lagerung im gewünschten Bezugssystem bzw. die Umrechnung in d ü ht Abbild t ibt R fü i R ih itdas gewünschte Abbildungssystem gibt Raum für eine Reihe von weiteren möglichen Fehlerquellen, die je nach Problemquelle Koordinatenabweichungen bis zu mehreren km hervorrufen können.

• BZS Fehler – Definition ReferenzrahmenBZS Fehler  Definition Referenzrahmen• BZS Fehler – Transformationsparameter• BZS Fehler – AbbildungBZS Fehler  Abbildung• BZS Fehler – Inhomogene AbbildungskoordinatenAbbildungskoordinaten

IonosphäreIonosphäre

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Troposphäre

und vertrauen Sie nicht blind Ihrem Transformationsmodul