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Die Frage nach dem „wo“!SatellitengestützteOrtsbestimmung
Monika Müller-JaroschUniversität-GH Siegen
Volterra, den 13. Mai 2000
Prof. Dr.-Ing. Monika Müller-Jarosch
Volterra 05’2000 Folie 2
3- dimensionaler Körper
2- dimensionale Abbildung
Projektion
? Längen? Winkel?Flächen
Grundproblem
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Volterra 05’2000 Folie 3
Lösungsansätze
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Volterra 05’2000 Folie 4
Allerdings ...„ If you don‘t know where you are,
a map won‘t help.“
Interdisziplinarität!
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Volterra 05’2000 Folie 5
Alles eine Frage des
Standpunktes!
Unser Planet - die Erde
Sternenhimmel
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Volterra 05’2000 Folie 6
Nutzung des „Sternenhimmels“Vorteile:• Verfügbarkeit naturgegeben
• Sicherheit externe Manipulation ausgeschlossen!
Nachteile:• nur nachts ... (Ausnahme: Sonnenbeobachtung)• Sichtabhängigkeit sternklare Nächte meist im Winter!
• Echtzeit-absolute Koordinaten• Echtzeit-relative Koordinaten• ohne gegenseitige Sicht• mit Horizontfreiheit
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Volterra 05’2000 Folie 7
In Konsequenz: GPS Global Positioning System
Seit 1993: 24 Satelliten umkreisen in 6 Umlaufbahnen - um 55° gegen Äquator geneigt - die Erde in 20600 km Höhe. Jeweils vier Satelliten werden benötigt, um eine Position auf wenige Meter genau zu bestimmen.
Um zu gewährleisten, daß dauerhaft vier Satelliten zur Verfügung stehen, kann man im Internet einen Almanach mit den Orts- und Zeitangaben einsehen.
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Volterra 05’2000 Folie 8
BlockI
BlockII
BlockIIR
Global Positioning Systemwas fliegt? Die Typen ...
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Volterra 05’2000 Folie 9
Idee „findiger Geister“Wenn man sie nun kennt,die Ephemeriden ...
• Ort ... Positionsbestimmungastronomische Ortsbestimmung
• Weg ... Navigation Kursbestimmung in See- und
Luftfahrt• Zeit astronomische Zeitbestimmung... durch Standortbestimmung der Gestirne!
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Global Positioning SystemSystementwicklung
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Volterra 05’2000 Folie 11
Global Positioning Systemwo fliegen sie?
Umlaufbahn im Abstandvon ca 3* Erdradiuszur Erdoberfläche!
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Volterra 05’2000 Folie 12
Anzahl verfügbarer Satelliten
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Volterra 05’2000 Folie 13
Bleibt die Frage ...
Wie funktioniert es eigentlich?
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Systeme ... AP-Karte
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Gauss-Krüger-Koordinaten
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Volterra 05’2000 Folie 16
Systeme ...
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Aussendung und Empfang
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Volterra 05’2000 Folie 18
Punktbestimmung : „die erste“
t
01.01.2000
01.01.2001
17.06.2000169 Tage
eindimensional
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Volterra 05’2000 Folie 19
Punktbestimmung : 1. Beobachtung
vierdimensional
Raum
t1 t2
Satellit1
s1
Möglicher „Ort“ des roten Punktes: Kugel!
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Punktbestimmung: „die zweite“
zweidimensional
y
x
Ebene
0 10 m
15 m
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Volterra 05’2000 Folie 21
Punktbestimmung : 2. Beobachtung
vierdimensional Raum
t1
t2
Satellit 1
s1
Satellit 2
s2
Möglicher „Ort“ des roten Punktes: Schnittkreis der beiden Kugeln!
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Punktbestimmung : „die dritte“
dreidimensional
y
x
Ebene
0 10 m
15 m
zRaum
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Volterra 05’2000 Folie 23
Punktbestimmung : 3. Beobachtung
vierdimensional Raum
t1 t2
Satellit 1
s1
Satellit 2
s2
s3
Satellit 3„Ort“ des roten Punktes geometrischeindeutig bestimmt!
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Punktbestimmung ???
dreidimensional
y
x
Ebene
0 10 m
15 m
zRaum
17 m
Voraussetzung: Gleichzeitigkeit!
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Volterra 05’2000 Folie 25
Punktbestimmung : „die vierte“
vierdimensional
y
x
Ebene
0 10 m
15 m
z
Raum
17 m
t1
10,2 m
16 m
17,5 m
t2
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Volterra 05’2000 Folie 26
Punktbestimmung : 4. Beobachtung
vierdimensional Raum
t1 t2
Satellit 1
s1
Satellit 2
s2
s3
Satellit 3
t1
t1
t1
s4
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Volterra 05’2000 Folie 27
Punktbestimmung : 4. Beobachtung
vierdimensional
Raumt1 t2
Satellit 1
s1
Satellit 2
s2
s3
Satellit 3
t1
t1
t1
s4
Satellit 4
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Physik der Messung
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Volterra 05’2000 Folie 29
Elektromagnetisches Spektrum
100 M 1G 10G 100G 1T 1013 1014 1015 1016 1017Hz
Mikrowellen Infrarot Ultraviolettsichtbar
GPS: Durchdringen von Nebel, Regen, Dunst
Trägerwellen:1575,42 MHz1227,6 MHz Terrestrische
Totalstationen
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Messung
Code Phase
Navigation Positionierung
differentiell statisch 1mdifferentiell kinematisch 1-2m
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Absolut vs. relativ
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Absolut: statisch+kinematisch
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Relativ: Basislinien!
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Relativ: statisch+kinematisch
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Volterra 05’2000 Folie 35
Beobachtungskonstellation
Statisch
Rover unbewegt -mindestens 15 Minuten (5km Basislinie) bis 30-50 Minuten (10 km Basislinie)!
Rover
Referenzstation5 mm + 1 ppm
1 ppmauf 10 km = 10 000 000 mm: 10 mm
max 10 (20) km Telemetrie
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Volterra 05’2000 Folie 36
Beobachtungskonstellation
Pseudo-Static =Reoccupation
Rover unbewegt -mindestens 15 Minutennach >1h Wiederbesetzung!
Rover
Referenzstation5 - 10 mm + 2 ppm
max 10 km
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Beobachtungskonstellation
Rapid static
Rover unbewegt -Koordinateninnerhalb weniger (5-10) Minuten!
Rover
Referenzstation10 mm + 2 ppm
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Volterra 05’2000 Folie 38
Beobachtungskonstellation
Stop and Go
anhaltenunbewegt über Punkt haltenweitergehen!
Rover
Referenzstation10 - 30 mm + 2 ppm
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Volterra 05’2000 Folie 39
Beobachtungskonstellation
Kinematisch
Rover kontinuierlichin Bewegung!Positionsbestimmung in definiertenZeitintervallen.
Rover
Referenzstation10 mm + 2 ppm
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Volterra 05’2000 Folie 40
Resumée:GPS - Global Positioning System
• Satellitennavigations- (Ortungs-) System im Verantwortungsbereich des Pentagon der USA
- jederzeit- weltweit- wetterunabhängig
• Konzept: 6*4 Satelliten auf Erdumlaufbahn in 12h• Satelliten senden! Hochfrequenzsignal (elektromagn.*) aus:
- Sendezeit- Position- Satellitenkennzeichen
• Empfänger nehmen Signal auf! und dekodieren es.
aktiv
passiv ca 100 m
+ Uhr
+ Uhr
Prof. Dr.-Ing. Monika Müller-Jarosch
Volterra 05’2000 Folie 41
Resumée:GPS - Global Positioning System• „Blickkontakt“: GPS-Antenne - Satellit
- nicht! unter Erdoberfläche/ unter Wasser- über Hügel/ um Gebäude!
• Laufzeit: Entfernung zu Satellit- 1 Nanosekunde (10-9 sec) - 30 cm
• DGPS- Referenzstation- Langwellensender: Korrektursignal im RDS-Format(hohe Reichweite, geringe topographische Abschattung)
• 3 Satelliten: 2-d Position• 4 Satelliten: 3-d Position incl. Höhe
ca 5 m
Prof. Dr.-Ing. Monika Müller-Jarosch
Volterra 05’2000 Folie 42
Resumée:GPS - Global Positioning System• Topographische Geländeaufnahmen• Detailvermessung• Absteckung• Einrichtung lokaler Netze• hydrographische Vermessung• Geodätische Punktbestimmung
Dramatische Produktivitätssteigerung:
