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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
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Vermessung und Geoinformatik
Einführung – Allgemeines
Verschiedene GPS-Verfahren
Einflussfaktoren – Zielgruppen der Gerätehersteller
Roverkomponenten – Geräteauswahl
Datumsübergang von Satelliten- in Landeskoordinaten
Alternativen und Ergänzungen zu GPS
Einige Internetadressen
Inhalte
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Vermessung und Geoinformatik
Zeitungsausschnitt (Maut)
In einer festen Position über der Erde verankerte Satelliten bilden hier den Mess- und Fixpunkt für genaue Koordinaten auf der Erdoberfläche ????
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Vermessung und Geoinformatik
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 ????????
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Vermessung und Geoinformatik
Das Globale Positionierungs-System (GPS)
Definiert für 24 Satelliten(21 + 3 Reservesatelliten)
am 22. September 200328 verfügbare Satelliten
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Vermessung und Geoinformatik
Das Globale Positionierungs-System (GPS)
100 km
- 20
000
km -
Lösungsverfahren
GPS – Laufzeitmessung
PDGPS – Trägerphasenmessung
DGPS – Laufzeitmessung + Korrekturdaten+ Phasenglättung
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Vermessung und Geoinformatik
(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
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Vermessung und Geoinformatik
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
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Vermessung und Geoinformatik
2D - GPS-Lösung - Problem
E r d e
A n t e n n e
S1S2
Höhenänderung
Lageänderung
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PostprocessingTelefonleitung
oder Datenträger
Differentielles GPS
1
2
4
3
5
13
52 k3
Basisstation
500 km
20 0
00 k
m
Mobiler Empfänger
k3
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Differentielles GPS - Anbieter
1
2
4
3
5
k3
Basisstation
EGNOS
Omnistar
SAPOS
ascos
:
:
PostprocessingTelefonleitung
oder Datenträger
SAPOSascosALLNAV . .
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Hochpräzises (geodätisches) GPS
≈ 19 cm L1≈ 24 cm L2
= unbekannt
Messgrößen
Die Trägerfrequenz wird zur Messung verwendet
- 20 000 km -
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- 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
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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
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Vermessung und Geoinformatik
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
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Empfangsbedingungen
> 20 m> 10 m> 10 m
3 m - 0,3 m< 0,05 m
GPSDGPSPDGPS
10-20 m
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Reflektionenvereinfachte 2D-Darstellung
Signalqualität- Rauschen
SNR=signal to noise ratio- Reflektionen
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EmpfangsbedingungenGPS-Empfang in Gebäuden
Trotz ausreichend vieler Satelliten keine brauchbare Position
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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
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Vermessung und Geoinformatik
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
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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
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Roverkomponenten und Positionsqualität
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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
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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
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Vermessung und Geoinformatik
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!
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Vermessung und Geoinformatik
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
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Geographische Koordinaten
Geoid
Ellipsoide:
Punkt auf Erde
lokal gelagert
Bl
global gelagert
Bg
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Vermessung und Geoinformatik
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
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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
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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
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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
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Alternativen und Ergänzungen zu GPS
GLONASS
Unhealth Satellites2002
20. September 2003 8 Satelliten
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Alternativen und Ergänzungen zu GPS
GLONASS
Optimale ÜberlagerungQuelle: TOPCON
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Alternativen und Ergänzungen zu GPS
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)
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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