Qualitätsparameter in GNSS-Permanentnetzen · 2015. 1. 21. · Qualitätsparameter in...

Qualitätsparameter in GNSS-Permanentnetzen Einblick in den regionalen Positionierungsdienst

Gregor Möller

Technische Universität Wien Department für Geodäsie und Geoinformation

Gußhausstraße 27 – 29, 1040 Wien Gregor.Moeller@tuwien.ac.at

Steyr, 27. April 2013

2

Überblick

1. Satellitengestützte Positionierung

2. Status und Modernisierung / GPS, GLONASS, Galileo & Beidou

3. Relative Positionierung

4. GNSS-Permanentnetze

5. Qualitätsanalyse am Beispiele EPOSA

6. Ausblick

3

Satellitengestützte Positionierung

Satellitengestützte Positionierung

4

Prinzip

Ionosphäre

Troposphäre

Satellitengestützte Positionierung

[Weber, Satellitennavigationsdienste, 2011]

5

Überblick GNSS

[Gruber, Munich Satellite Navigation Summit 2012]

Satellitengestützte Positionierung

6

Überblick GNSS

Merkmal GPS GLONASS Galileo BeiDou

# Satelliten 21 +3 21 +3 27 +3 30

# Bahnebenen 6 3 3 3

Große Halbachse 26600 km 25440 km 29900 km 27900 km

Umlaufzeit 11:58 H 11:15 H 14:05 H 12:35 H

Inklination 55 deg 64 deg 56 deg 55 deg

Satellitenmasse 1100 kg (IIR) 1400 kg 700 kg 2200 kg

Satellitengestützte Positionierung

7

Status und Modernisierung

Status und Modernisierung

8

GPS - Konstellation

Status und Modernisierung

[Stand 26.04.2013]

Besteht aus 30 aktiven Satelliten

• 8 GPS IIA

• 12 GPS IIR

• 7 GPS IIR-M

• 3 GPS IIF (von 10)

Geplante Starts:

GPS IIF-4 am 15. Mai 2013 und

GPS III Anfang 2014

9

GPS - Kontrollsegment

Status und Modernisierung

• Globale Kontrollstationen

• Referenzsystem WGS84

• Selective Availability: JA/NEIN

• Anti Spoofing: JA

[GPS.gov, 04/2013]

10

GPS - Modernisierung

Status und Modernisierung

[Devin O‘Dowd, IGS workshop 2012]

11

GLONASS

Status und Modernisierung

[Revnivy, Munich Satellite Navigation Summit 2012]

12

GLONASS - Konstellation

Status und Modernisierung

13

GLONASS - Kontrollsegment

Status und Modernisierung

• Regionale Kontrollstationen

• Referenzsystem PZ-90-2

• Selective Availability: no

• Anti Spoofing: no

14 Status und Modernisierung

[Revnivy, Munich Satellite Navigation Summit 2012]

GLONASS - Modernisierung

Geplante Starts: GLONASS-M bis 2014, GLONASS-K ab 2015

24 CDMA Satelliten bis 2020

15

Galileo - Konstellation

Status und Modernisierung

21. Oktober 2011, Start der ersten zwei IOV Satelliten vom europ.Weltraumbahnhof in Korou, Franz. Guayana 12. Oktober 2012, Start der nächsten zwei IOV Satelliten 17. Januar 2013, E11 und E12 senden Navigationsnachricht 12. März 2013, erste GALILEO Position

16

Galileo - Kontrollsegment

Status und Modernisierung

[HAYES, ICG Beijing 2012]

17

Galileo - Signalstruktur

Status und Modernisierung

[Hein et al., 2002]

18 Status und Modernisierung

Galileo - Aufbauplan

[HAYES, ICG Beijing 2012]

19 Status und Modernisierung

Galileo - Services

[HAYES, ICG Beijing 2012]

20

BeiDou - Konstellation

Status und Modernisierung

Besteht aktuell aus 15 aktiven Satelliten

• 5 (5) GEO + 1 Reserve

• 5 (3) IGSO, 5 (27) MEO

[Lina He et al., 2013]

Genauigkeit des regionalen Dienstes

• 25 m horizontal, 30 m vertikal

• 0.4 m/s Geschwindigkeit

21

BeiDou - Signalstruktur

Status und Modernisierung

• Analog zu Galileo: E1, E2, E5B und E6

22 Status und Modernisierung

BeiDou - Aufbauplan

[NN, ICG Beijing 2012]

23 Status und Modernisierung

Überblick Beobachtungsdaten - Heute

[NN, ICG Beijing 2012]

24 Status und Modernisierung

Überblick Beobachtungsdaten - Ausblick

[NN, ICG Beijing 2012]

25

Relative Positionierung

Relative Positionierung

26

GNSS-Beobachtungsgleichungen

Codemessungen

• Beobachtungen zu mind. 4 Satelliten

• Messung der Laufzeit des Signals

• m-genaue Positionierung

Phasenmessungen

• Trägerphasenmessung (L1 / L2)

• Festsetzung der Mehrdeutigkeiten

• Voraussetzug: bestmögliche Eliminierung von

• mm-genaue Positionierung

SiR

SR

SR

SiR ttcP ,, )( ερ +∆−∆⋅+=

SiR

SiRi

SR

SR

SiR NttcL ,,, )( ελρ +⋅+∆−∆⋅+=

Signalslten ausgestrah des Frequenz ilüsseFehlereinf

keitstermMehrdeutig

uhrfehlerSatelliten tc

hrfehlerEmpfängeru tcEmpfänger undSatellit zw. Distanz hegeometrisc

achtungPhasenbeob und -Code gemessene ,

SiR,

,i

SR

SR

,

ε

λ

ρ

SiR

SiR

N

LP

⋅

∆⋅

∆⋅

SiR,ε

Relative Positionierung

27

Systematische Fehlereinflüsse

Stations- und Entfernungsabhängige Fehler

Sonstige Fehlereinflüsse / Satellitengeometrie

• relativistische Effekte, Phasensprünge, Abschattungen, DOP

Fehler absolut / relativ

Ionosphäre 0.5..100 m 0.1..50 ppm

Troposphäre 0.01..0.5 m 0.1..3 ppm

Satellitenbahn (Broadcast) 1..2 m 0.1 ppm

Satellitenuhr (Broadcast) 1..2 m 0 ppm

Multipath Code / Phase dm..m / mm..cm

Antennenphasenzentrum mm..cm

Messrauschen Code / Phase dm..m / mm..cm

Entfernungs-abhängige Fehler

Stations-abhängige Fehler

Relative Positionierung

28

Relative Positionierung

• Prinzip: gleichzeitige Beobachtung auf mindestens zwei Stationen

• dadurch kann der Einfluss der zeitabhängigen Fehler reduziert / eliminiert werden

• bilden von Differenzen zwischen simultanen Beobachtungen

Einfachdifferenz (2 Stationen, 1 Satellit) Doppeldifferenz (2 Stationen, 2 Satelliten)

Satellitenuhrfehler fällt heraus Satelliten- und Empfängeruhrfehler

fallen heraus

• atmosphärische Fehler werden stark reduziert, da Satellitensignale identische

Teile der Atmosphäre durchlaufen

SiRR

SRR

SiRR ddPd ,2,1

22,1

2,2,1

2 ερ +=SiRRRR

SRR

SiRR dtdcddP ,2,12,12,1,2,1 ερ +∆⋅+=

(Codemessungen)

Relative Positionierung

29

Differentielle Verfahren

DGPS (Differential GPS)

• Anwendung der relativen Beobachtungsmethode in Echtzeit

• Referenzstation überträgt Beobachtungsdaten an Rover

• Rover verwendet Daten zur Korrektur seiner Position

• erreichbare Genauigkeit: < 1 m

PDGPS (Precise Differential GPS) / RTK

• Festsetzung der Mehrdeutigkeiten unter Verwendung der Daten der Referenzstation

• maximale Länge der Basislinie: 15 km

• geeignet für statische und kinematische Anwendungen

• erreichbare Genauigkeit: 1-2 cm

(Phasenmessung)

SiRR

SiRRi

SRR

SiRR dNddLd ,2,1

2,2,1

22,1

2,2,1

2 ελρ +⋅+=

Relative Positionierung

30

GNSS-Permanentnetze

GNSS-Permanentnetze

31

Prinzip

• Grundprinzip: PDGPS

• Modellierung der entfernungsabhängigen Fehler auf Basis mehrerer Referenzstationen

• cm-Genauigkeit bis zu einer Länge der Basislinie von 80 km (PDGPS nur 15 km )

• Herausforderung: Mehrdeutigkeitslösung

• Stationskoordinaten müssen sehr genau bekannt sein

• Fehlerparametrisierung auf Basis der Stationsresiduen

(MAC, VRS, FKP)

• Übertragung der Korrekturdaten im RTCM-Format an den Nutzer

• Bezug der Daten über:

• GSM, GPRS, UMTS oder NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol)

GNSS-Permanentnetze

32

Systemaufbau

GNSS-Permanentnetze

[Weber, Satellitennavigationsdienste, 2011]

Reference

Rover

Datenaufnahme -> an Zentrale senden

Mehrdeutigkeits- lösung in Zentrale

Erstellung von Fehlermodellen

Berechne Roverposition

Proc

essin

g

Interface VRS

Korrigiere Messungen für Roverposition

RTK :

Datenfluss und Fehlermodellierung

Fehlerparametrisierung - VRS

GNSS-Permanentnetze 33 [Weber, Satellitennavigationsdienste, 2011]

Aufbau und Betrieb von permanenten Referenzstationsnetzen unter

Nutzung von GPS/GLONASS

Verwendung für innerbetriebliche Nutzung

Bereitstellung von Korrekturdaten für Echtzeitpositionierung

Hohe Verfügbarkeit (24 Stundendienst)

Flächendeckende homogene Genauigkeiten für die Datenerfassung

Genauigkeitsanforderung: +/- 1- 5 cm

Anbindung an das österreichische und an internationale Bezugssysteme

Ziele der Netzbetreiber

34 GNSS-Permanentnetze

Typische Services der Refernznetzanbieter

Service Genauigkeit

RTK präzise Positionierung

(Code+Phase)

+/- 1-2cm Lage,

+/- 3-4 cm Höhe

Initialsierungszeiten 10-60 sec

DGPS Positionierung

(phasengeglätteterCode)

+/- 50 cm Lage

+/- 80 cm Höhe

RINEX-Server für Postprocessing +/- 2-3 mm

35 GNSS-Permanentnetze

36

Qualitätsanalyse

Qualitätsanalyse

37

Motivation

EPOSA (Echtzeit Positionierung Austria)

• aus der Kooperation der Firmen ÖBB, BEWAG und WIENSTROM entstanden

• im Herbst 2009 der Öffentlichkeit vorgestellt

• Österreich weiter Echtzeitpositionierungsdienst

• liefert Korrekturdaten in Echtzeit für cm-genaue Positionierung

• unter Berücksichtigung aller operativen Satellitensysteme

• mit höchster Zuverlässigkeit

• bester Verfügbarkeit und

• geprüfter Qualität

• 24 Stunden / 7 Tage Support

Ziel dieser Arbeit war, zu überprüfen ob dies gewährleistet werden kann!

Qualitätsanalyse

38

EPOSA Referenzstationen

38 Stationen (31 ÖBB, 5 BEWAG, 2 WIENSTROM) + 3 Tschechien, + 2 Italien

Auswahlkriterien:

• Infrastruktur

• stabiler Standort

• Stationsverteilung

• Stationsabstand

• freie Horizontsicht

• Mehrwegeausbreitung

• GPS/GLONASS - Empfänger auf allen Stationen

• Prinzip der zentralen Referenzstationssteuerung (Zentralen ÖBB / WIENSTROM)

Qualitätsanalyse

39

Qualitätsinformationen

1. Verfügbarkeit der RINEX-Daten

2. Performance an den Referenzstationen

• Mehrwegeausbreitung

• Abschattung

• Carrier-Noise-Ratio

3. Festsetzung der Mehrdeutigkeiten

4. Initialisierungszeiten

5. Koordinaten der Referenzstationen

6. Redundanz beider Zentralen

Qualitätsanalyse

40

Parameter Benötigte Daten

Vollständigkeit der RINEX Daten

Anzahl tracked und fixed GPS/GLONASS Satelliten

Elevation und Zeit bis tracking / fixing erreicht wird / abbricht

Abschattungen und CN0

Mehrwegeausbreitung

RINEX Daten, *.lrx Protokolldateien

*.ssa, Station und Tracking Information

*.ssa, Station und Tracking Information *.grs, Azimut und Elevation

*.grs, Signalstärke

*.grs, Stationsresiduen

Initialisierungszeit am Rover Koordinaten der Referenzstationen

NMEAlogs *.ssa, RefCheck Results

EPOSA Zustandsdaten

Vergleich beider Zentralen (OEBB und WS)

Qualitätsanalyse

• 17.04. bis 05.05.2012

• keine Systemausfälle

• Ausfälle an 9 Stationen (eine Stunde – wenige Tage)

• 99% Gesamtverfügbarkeit

• 99.2% Werktags-Verfügbarkeit (07:00 Uhr bis 18:00 Uhr MEZ)

41

Vollständigkeit der RINEX Daten - 2012

Qualitätsanalyse

42

Tracked und fixed Satelliten

GPS tracking Verlauf - Station Allentsteig

Qualitätsanalyse

43

Tracked und fixed Satelliten (2/4)

OEBB WS 2011 GPStracked 8.8 8.8 8.6

GPSfixed 8.1 (92%) 8.2 (93%) 7.6 (89%)

Glonasstracked 7.6 7.6 7.0

Glonassfixed 6.3 (83 %) 6.5 (85%) 5.7 (81%)

Mittelwerte über 38 Stationen

Geringe Unterschiede zwischen L1 und L2

Vergleichbare Werte bei den 3 tschechischen Stationen (GPS: 89% und GLONASS: 86%)

GLONASS: Mehrdeutigkeitslösung der FDMA-Signale sehr schwierig

Besonderheiten:

• schlechtestes Fixingverhalten an den Stationen KLAG, PAMA und WOFU

• ≈ 0.3 (5%) mehr gelöste GLONASS Mehrdeutigkeiten bei WS

Vergleich OEBB und WS – 2012 vs. 2011

Qualitätsanalyse

44

Tracked und fixed Satelliten (3/4)

Ursachen

• unterschiedlicher cut off angle für tracking und fixing (5° / 8.5°)

• Probleme bei der Lösung der Mehrdeutigkeiten von Satelliten mit niedriger Elevation

8.5°

Qualitätsanalyse

45

Tracked und fixed Satelliten (4/4)

OEBB WS

Mittelwert Gut Schlecht Mittelwert Gut Schlecht tfix/ttrack 90% / 85% 92% / 89% 88% / 83% 90% / 86% 91% / 89% 88% / 83%

elevtrack 5.5° / 5.5° 5° / 5° 6° / 6° 5.5° / 5.5° 5° / 5° 6° / 6°

tasol 15min / 18min 10min / 14min 19min / 23min 12min / 16min 9 min / 12min 18min / 21min

Elevasol 12°/ 14° 11° / 13° 14° / 16° 12° / 13° 11° / 13° 14° / 15°

tesol 9min / 12min 7min / 8min 14min / 20min 10min / 13min 8min / 8min 15min / 20min

elevesol 9° / 10° 8° / 8° 12° / 13° 10° / 10° 8° / 9° 12° / 13°

1min entspricht ≈ 0.5°

• Mittelwerte über 38 Stationen für GPS / GLONASS

• telev ≈ 8min, d.h. tfix/ttrack verbessert sich um ≈ 2.5%

Vergleich OEBB und WS - 2012

Qualitätsanalyse

46

Vergleich tracked und fixed Satelliten 2009/2011/2012

Cut off angle, Initialisierungszeiten und frühzeitiger Abbruch der Mehrdeutigkeitslösung

2009 2011 2012 tfix/ttrack GPS/GLONASS 62% / 36% 91.5% / 83.5% 94.5% / 85.5%

tasol GPS/GLONASS 29min / 48min 16min 15min / 18min

elevasol GPS/GLONASS 17.5° / 22.7° 12.9° / 13.2° 12.1° / 13.8°

tesol GPS/GLONASS 31min / 50min 12min 9min / 12min

elevesol 15.5° / 25.6° 9.3° / 9.9° 9.0° / 10.0°

telev berücksichtigt

Qualitätsanalyse

47

Carrier-Noise-Ratio

Qualitätsanalyse

Vergleich L1 / L2

• L1: zwischen 35 dbHz & 55 dbHz

• L2: zwischen 25 dbHz & 50 dbHz

• Elevationsabhängigkeit • GPS: 0.025%* weniger

Beobachtungen auf L2 als auf L1

• GLONASS: 1.4%* weniger

Beobachtungen auf L2 als auf L1 * Mittelwert über 14 Tage und alle Stationen

CN0 (Carrier-Noise-Ratio) • Verhältnis von Trägerphasenleistung zur Rauschleistung bei einer Bandbreite von 1 Hz

L1 CNO-Muster GPS/GLONASS L2 CN0-Muster GPS/GLONASS

48

Carrier-Noise-Ratio (2/2)

L1 CNO-Muster ausgewählter Stationen

Station trGPS L1 fiGPS L1 Diff.

Allentsteig 9.73 5.62 4.11

Liezen 8.55 5.67 2.88

Dalaas 7.22 4.70 2.52

• schlechteres CN0 (≈ -10 dbHZ) hat keinen signi-fikanten Einfluss auf die Mehrdeutigkeitslösung

• Abschattungen sind möglichst zu vermeiden

Qualitätsanalyse

49

Stationsresiduen und Mehrwegeausbreitung

Residuen der L1-Code-Beobachtungen

• Kein Nahfeld-MP auf allen Stationen

• Mattersburg = Referenz (gute Performance)

• Station Liezen: Fernfeld-MP

(möglicher Grund für schlechtes SNR)

• Tracking-Probleme auf der Station Ochenig Süd

• Station Neusiedl/See: sehr hohe Residuen

Auswertung der RINEX-Daten von NEUS für den 19.07.2010 mit LEICA GNSS QC

kein MP 2010

Grund: Antennenwechsel Herbst 2009

Qualitätsanalyse

50

Stationsresiduen und Mehrwegeausbreitung (2/2)

Residuen der L1/L2-Beobachtungen – 2012 / 2011

Qualitätsanalyse

• MP an den Stationen Andau und Pama

• Nahfeld-MP an der Station GRAZ zu vermuten

• starke Variation der Residuen an der Station KLAG

51

Koordinaten der Referenzstationen

• zuletzt berechnet im April 2010 über einen Zeitraum von 40 Tagen

• Netzausgleich für alle Stationen (früher: getrennt für Ost- und West-Österreich)

• Differenzen zu den „alten“ Koordinaten < 4 cm

Station Xref [m] Yref [m] Zref [m] ALST 4066601.7 1114763.2 4770206.0

AMST ……

4122668.2 1096200.5 4726131.4

• ITRF2000 Koordinaten zur Epoche 1997.0

• hier: genähert auf dm-Genauigkeit

Monitoring der Referenzkoordinaten

• Auswertung der Beobachtungsdaten im Post Processing (mm-genau)

• automatische Überwachung des Referenzstationsnetzes

Auswertung der Stationsresiduen in Echtzeit (cm-genau)

GNNET-Tool RefCheck

Qualitätsanalyse

52

Koordinaten der Referenzstationen (2/3)

• Analyse des Koordinaten-Offsets (dN, dE und dU)

• Koordinaten der Station Schladming festgehalten,

• alle anderen Stationskoordinaten werden in der Auswertungssoftware mit geschätzt

• Vergleich dieser Koordinaten mit den Referenzkoordinaten (April 2010)

Qualitätsanalyse

53

• täglicher Reset um 03:00 Uhr

• ähnlicher Kurvenverlauf für beide Zentralen, Offset bei PAMA

• Koordinaten-Offsets > 1cm : DALA, MATR, ROET, SAAL, SALZ, SEEF

• Drift: ATPU, KLAG

Qualitätsanalyse

Koordinaten der Referenzstationen (3/3)

54

Initialisierungszeit am Rover – 2012 (2009)

• Auswertung der NMEA Protokolle von Nutzern des RTK Services

• Extraktion des Zeitpunkte, wann Rover tracking beginnt und wann Mehrdeutigkeiten gelöst sind

• HDOP & Anzahl beobachteter Satelliten wurden analysiert

• Dauer für 924 (498) erfolgreiche Positionslösungen wurde ausgewertet (OEBB 414, WS 510)

• Initialisierungszeit (TTFF) beträgt rund 22 Sekunden (35 Sekunden)

• Unterschied zwischen OEBB und WS ist rund 2 Sek (23 vs. 21Sek)

Werte Min Max Median

TTFF [s] 10 1381 22

Anz Sat 3 20 14.5

HDOP 0.5 14.0 0.8

Werte Min Max Median

TTFF [s] 3 5982 34

Anz Sat 2 17 8

HDOP 0.5 18.9 1.2

Qualitätsanalyse

55

Ausblick

Ausblick

56

Ausblick

GNSS = GPS + GLONASS + (GALILEO) + (COMPASS)... ab 2016 werden rund 80-100 Navigationssatelliten zur Verfügung stehen

Die Nutzung von GPS+GLONASS+ GALILEO+COMPASS - erhöht die Anzahl der verfügbaren Beobachtungen - verbessert weitgehend die Schnittgeometrie (DOP) - verringert die Fixierungszeit

Intra- and Intersystem Biases Die Transformation in Landeskoordinaten (Kataster, Grundgrenzen, etc.) erfolgt

automatisiert am Rover. Einfachere Nachführung der Stationskoordinaten

Aufbau von europäischen GNSS-Permanentnetzen

PPP-RTK (RTCM-3.2)

Ausblick

Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Gregor Möller Technische Universität Wien Department für Geodäsie und Geoinformation Gußhausstraße 27 – 29, 1040 Wien Gregor.Moeller@tuwien.ac.at www.hg.tuwien.ac.at