Gefördert durch:

Zu den Anwendungen zählen exemplarisch:- Einsatz auf Unmanned Aerial Vehicle (UAV)- Einsatz für geodätisches Monitoring in Bereich von Objekt-- überwachung z.B. Nachterstedt und Kreideküste Rügen- Einsatz in der Landwirtschaft z.B. Aussaat und Ernte - Einsatz bei Spezial-Anwendungen z.B. Minensucher und- Schaufelradbagger

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

East - 433827 in [m]

Nor

th -

5584

748

in [m

]

Position Plot (ETRS89-System) Geschwindigkeit ~ 1.1 m/s

RTK Status FixRTK Status FloatReference Trajectory

Geodätische GNSS-Systeme kosten etwa 20.000 €. Für differenzielle Anwendungsfor-men sind zwei Empfänger notwendig.Ein Vorteil solcher geodätischer Geräte ist die hohe Genauigkeit. Oftmals erzielen die-se eine absolute Genauigkeit von etwa 1 cm nach kurzer Initialisierungszeit. Der hohe An-schaffungspreis schreckt jedoch viele Anwen-der ab.

GNSS-Einfrequenz-Empfänger mit Positionsberechnungen aus Codemessungen sind in den Massenmärkten wie z.B. bei der Fahrzeugnavigation und bei Mobiltelefone etabliert. Die ho-hen Stückzahlen ermöglichen niedrige Anschaffungskosten von wenigen 100 €. Die Genauigkeit solcher Empfänger be-trägt einige Meter. Nur durch die zusätzliche Auswertung der Trägerphase und dem differentiellen Ansatz können höhere Genauigkeiten erreicht werden.

Die Bestandteile unseres für kinematische Anwendungen weiterentwickelten GNSS-Sys-tems sind:- Der ublox LEA 6T bzw. 4T in einem wasserdichten Gehäu-se. Ein WLAN-Datenmodul zur Übersendung der Rohdaten an die Recheneinheit.- Die externe Stromversorgung ist durch mehrere LiPo Akkus mit einer Laufzeit von je 12 Stunden gewährleistet.- Mit der Open Source Software RTKLib (www.rtklib.com) erfolgt die Berechnung der Koordinaten in Echtzeit. In mehreren Tests hat sich gezeigt, dass die Trimble Bullett III Antenne die besten Ergebnisse liefert.- Gleichzeitig wurde um diese Antenne ein Choke-Ring gebaut, wodurch die Genauigkeit nochmals verbessert werden konnte.

Durch den geringen Preis und das geringe Gewicht gegen-über einer geodätischen GNSS-Ausrüstung ergeben sich in der Zukunft neue Anwendungsmöglichkeiten.

Globale Navigationssatel-litensysteme (GNSS) wer-den seit Mitte der 90er geo-dätisch genutzt. Über einen langen Zeitraum wurde zunächst nur das amerikanische GPS-System genutzt. Mittlerweile ist das russische GLONASS-System voll-ständig operabel. Das europäische Galileo-System sowie das chinesische Compass-System befinden sich im Aufbau. Für die nächsten Jahre werden somit vier verschiedene GNSS, mit mehr als 100 Satelliten, zur Verfügung stehen.GNSS-Messdaten sind im wesentlichen Laufzeitmessungen von codierten Signalen. Aus der Laufzeit von rund 70ms werden die Entfernungen von etwa 20200 km zu den einzelnen Satelliten abgeleitet. Im Schnittpunkt dieser Strecken liegt die gesuchte 3D-Position. Wegen verschiedener Einflussgrößen, u.a. Iono-sphäre und Troposphäre, liegt die Messgenauigkeit in Abhän-gigkeit der Messkonstellation zwischen 0,01 m und 20 m.

Low-cost GNSS für statische und kinematische Messaufgaben Michael Buchholz, M. Sc. Prof. Dr.-Ing. Werner Stempfhuber Dipl.-Ing. Jürgen Alberding

g Ergebnisse: Messungen und Anwendungsbeispiel

g Hintergrund: Geodätisches GNSS und Low-cost GNSS

Im Zuge dieser Testserie wurden u.a. GNSS-Rohdatensätze von einem ublox Lea 4T und einer NovAtel Smart Antenne aufge-zeichnet. Die nach RINEX konvertierten Rohdaten wurden in 5 bzw. 15 Minuten Abschnitte unterteilt. Anschließend erfolg-te mit den GNSS-Auswerteprogrammen WA1, Trimble Business Center und RTKNavi die Basislinienauswertung. Im Nachgang wurde die Ist-Koordinate mit der Soll-Koordinate verglichen. Die daraus resultierenden Lageabweichungen sind in den unteren Diagrammen graphisch dargestellt.

Bei der Firma Moba in Limburg konnten auf der hauseigenen Teststrecke u.a. Messungen in verschiedenen Geschwindigkei-ten und mit unterschiedlichen Hardwarekomponenten realisiert werden. Die erste dauerhafte Fix-Lösung wurde nach wenigen Minuten berechnet. Insgesamt wurden 15 Runden auf der Test-strecke absolviert. Die Wiederholgenauigkeit dieser Runden liegt bei 1,5 cm. Als Referenz diente eine in unmittelbarer Nähe aufgebaute Trimble Bullett III Antenne mit einem Lea 6t-Emp-fänger. Während der Messung erfolgte eine 100% Fix-Lösung.

Statische Langzeittests Kinematische Langzeittests Monitoring mit Low-cost GNSS

PPP – Neue Ansätze

ublox Low-cost RTK GNSS

Ausblick

Geodätisches und Low-cost GNSS

g Resümee

Auf dem Messdach des Labors für geodätische Messtechnik können u.a. Messungen ohne Abschattungen realisiert werden. In den vorliegenden Diagrammen wurde eine 5 1/2 tägige Mes-sung graphisch dargestellt. Dabei sind über den ganzen Zeit-raum keine Ausfälle des Systems zu erkennen. Das Messrau-schen beträgt für die X- und Y-Koordinate nur wenige Millimeter. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit einer geodätischen GNSS Messung.

Precise Point Positioning (PPP) ist eine GNSS-Auswertetechnik zur genauen Positionsbestimmung, die im Gegensatz zu her-kömmlichen, differenziellen Auswerteansätzen ohne Verwen-dung einer Referenzstation auskommt. Somit entfallen auch die Kosten einer zusätz-lichen Referenzstation. Allerdings müssen bei die-sem Verfahren zahlreiche Korrektionen, u.a. präzise Satellitenbahn- und Uhr-informationen berücksich-tigt werden. Die Korrektu-ren werden durch ein weltumspandendes Netz von kostenfreien Referenzstation berechnet und kostenlos im Internet bereit gestellt. Die ersten Ergebnisse, die in der FA VI ausgewertet wurden belegen, dass im statischen und kinematischen Messmodus Positionen im dm-Bereich erreichbar sind.

Satellitenvermessung

Performance-SteigerungenDifferenzielle Codelösungen mit Hilfe kostenpflichtiger DGNSS-Korrekturdatenübertragung über Satellit (z.B. OmniSTAR) oder kostenlosen Korrekturdienste (z.B. Egnos oder WAAS) haben zur weiteren Veränderung der Vermessung mit GNSS beigetragen. Mit Hilfe des entwickel-ten Choke-Rings, ist es möglich Mehrwegeffekte zu unterdrücken. Im vor-liegenden Diagramm ist zuerkennen, dass das Sig-nal-Rausch-Verhältnis mit einem Choke-Ring deut-lich besser ist.Performance-Steigerungen sind durch den kombinierten Einsatz von GPS/Glonass/Galileo - Empfängern in statischen und kine-matischen Bereichen zu erwarten. Dies schließt kürzere Initiali-sierungszeiten (Time to first Fix) und eine höhere Verfügbarkeit mit ein.

Trimble R8 GNSS

Trimble Bullett III mit Choke-Ring

07:50 08:25 09:00 09:35 10:10 10:45 13:25 14:00 14:35 15:10 15:450

0.1

0.2

Uhrzeit

∆ L

age

[m]

5 Minuten Interval ublox und NovAtelrtkpost

NovAtelublox

07:50 08:25 09:00 09:35 10:10 10:45 13:25 14:00 14:35 15:10 15:450

0.1

0.2

Uhrzeit

∆ L

age

[m]

WA 1

NovAtelublox

07:50 08:25 09:00 09:35 10:10 10:45 13:25 14:00 14:35 15:10 15:450

0.1

0.2

Uhrzeit

∆ L

age

[m]

Trimble Business Center

NovAtelublox

08:00 09:15 10:30 13:30 14:45 16:000

0.1

0.2

Uhrzeit

∆ L

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[m]

15 Minuten Interval ublox und NovAtelrtkpost

NovAtelublox

08:00 09:15 10:30 13:30 14:45 16:000

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Uhrzeit

∆ L

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WA 1

NovAtelublox

08:00 09:15 10:30 13:30 14:45 16:000

0.1

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Uhrzeit

∆ L

age

[m]

Trimble Business Center

NovAtelublox

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2

2.9

3

3.1

3.2

3.3

3.4

East - 433827 in [m]

Nor

th -

5584

748

in [m

]

Position Plot (ETRS89-System) Geschwindigkeit ~ 1.1 m/s

RTK Status FixRTK Status FloatReference Trajectory

0 10 20 30 40 50 60 70 80 9034

36

38

40

42

44

46

48

50

52Einsatz des entwickelten Choke-Ring

Elevation [°]

Sig

nal/R

ausc

h-A

bsta

nd [d

BH

z]

Trimble Bullet IIITrimble Bullet III mit Choke-Ring

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5x 105

100.352

100.353

100.354

100.355

100.356

100.357

100.358Ellipsoidische Höhe, Messdauer 5 1/2 Tage (Messfrequenz 1Hz)

# der Messung

Ell.

Höh

e in

[m]

Batterieublox Lea 6t, WLAN-Modul

Gefördert durch:

Zu den Anwendungen zählen exemplarisch:- Einsatz auf Unmanned Aerial Vehicle (UAV)- Einsatz für geodätisches Monitoring in Bereich von Objekt-- überwachung z.B. Nachterstedt und Kreideküste Rügen- Einsatz in der Landwirtschaft z.B. Aussaat und Ernte - Einsatz bei Spezial-Anwendungen z.B. Minensucher und- Schaufelradbagger

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35-25

-20

-15

-10

-5

0

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10

East - 433827 in [m]

Nor

th -

5584

748

in [m

]

Position Plot (ETRS89-System) Geschwindigkeit ~ 1.1 m/s

RTK Status FixRTK Status FloatReference Trajectory

Geodätische GNSS-Systeme kosten etwa 20.000 €. Für differenzielle Anwendungsfor-men sind zwei Empfänger notwendig.Ein Vorteil solcher geodätischer Geräte ist die hohe Genauigkeit. Oftmals erzielen die-se eine absolute Genauigkeit von etwa 1 cm nach kurzer Initialisierungszeit. Der hohe An-schaffungspreis schreckt jedoch viele Anwen-der ab.

GNSS-Einfrequenz-Empfänger mit Positionsberechnungen aus Codemessungen sind in den Massenmärkten wie z.B. bei der Fahrzeugnavigation und bei Mobiltelefone etabliert. Die ho-hen Stückzahlen ermöglichen niedrige Anschaffungskosten von wenigen 100 €. Die Genauigkeit solcher Empfänger be-trägt einige Meter. Nur durch die zusätzliche Auswertung der Trägerphase und dem differentiellen Ansatz können höhere Genauigkeiten erreicht werden.

Die Bestandteile unseres für kinematische Anwendungen weiterentwickelten GNSS-Sys-tems sind:- Der ublox LEA 6T bzw. 4T in einem wasserdichten Gehäu-se. Ein WLAN-Datenmodul zur Übersendung der Rohdaten an die Recheneinheit.- Die externe Stromversorgung ist durch mehrere LiPo Akkus mit einer Laufzeit von je 12 Stunden gewährleistet.- Mit der Open Source Software RTKLib (www.rtklib.com) erfolgt die Berechnung der Koordinaten in Echtzeit. In mehreren Tests hat sich gezeigt, dass die Trimble Bullett III Antenne die besten Ergebnisse liefert.- Gleichzeitig wurde um diese Antenne ein Choke-Ring gebaut, wodurch die Genauigkeit nochmals verbessert werden konnte.

Durch den geringen Preis und das geringe Gewicht gegen-über einer geodätischen GNSS-Ausrüstung ergeben sich in der Zukunft neue Anwendungsmöglichkeiten.

Globale Navigationssatel-litensysteme (GNSS) wer-den seit Mitte der 90er geo-dätisch genutzt. Über einen langen Zeitraum wurde zunächst nur das amerikanische GPS-System genutzt. Mittlerweile ist das russische GLONASS-System voll-ständig operabel. Das europäische Galileo-System sowie das chinesische Compass-System befinden sich im Aufbau. Für die nächsten Jahre werden somit vier verschiedene GNSS, mit mehr als 100 Satelliten, zur Verfügung stehen.GNSS-Messdaten sind im wesentlichen Laufzeitmessungen von codierten Signalen. Aus der Laufzeit von rund 70ms werden die Entfernungen von etwa 20200 km zu den einzelnen Satelliten abgeleitet. Im Schnittpunkt dieser Strecken liegt die gesuchte 3D-Position. Wegen verschiedener Einflussgrößen, u.a. Iono-sphäre und Troposphäre, liegt die Messgenauigkeit in Abhän-gigkeit der Messkonstellation zwischen 0,01 m und 20 m.

Low-cost GNSS für statische und kinematische Messaufgaben Michael Buchholz, M. Sc. Prof. Dr.-Ing. Werner Stempfhuber Dipl.-Ing. Jürgen Alberding

g Ergebnisse: Messungen und Anwendungsbeispiel

g Hintergrund: Geodätisches GNSS und Low-cost GNSS

Im Zuge dieser Testserie wurden u.a. GNSS-Rohdatensätze von einem ublox Lea 4T und einer NovAtel Smart Antenne aufge-zeichnet. Die nach RINEX konvertierten Rohdaten wurden in 5 bzw. 15 Minuten Abschnitte unterteilt. Anschließend erfolg-te mit den GNSS-Auswerteprogrammen WA1, Trimble Business Center und RTKNavi die Basislinienauswertung. Im Nachgang wurde die Ist-Koordinate mit der Soll-Koordinate verglichen. Die daraus resultierenden Lageabweichungen sind in den unteren Diagrammen graphisch dargestellt.

Bei der Firma Moba in Limburg konnten auf der hauseigenen Teststrecke u.a. Messungen in verschiedenen Geschwindigkei-ten und mit unterschiedlichen Hardwarekomponenten realisiert werden. Die erste dauerhafte Fix-Lösung wurde nach wenigen Minuten berechnet. Insgesamt wurden 15 Runden auf der Test-strecke absolviert. Die Wiederholgenauigkeit dieser Runden liegt bei 1,5 cm. Als Referenz diente eine in unmittelbarer Nähe aufgebaute Trimble Bullett III Antenne mit einem Lea 6t-Emp-fänger. Während der Messung erfolgte eine 100% Fix-Lösung.

Statische Langzeittests Kinematische Langzeittests Monitoring mit Low-cost GNSS

PPP – Neue Ansätze

ublox Low-cost RTK GNSS

Ausblick

Geodätisches und Low-cost GNSS

g Resümee

Auf dem Messdach des Labors für geodätische Messtechnik können u.a. Messungen ohne Abschattungen realisiert werden. In den vorliegenden Diagrammen wurde eine 5 1/2 tägige Mes-sung graphisch dargestellt. Dabei sind über den ganzen Zeit-raum keine Ausfälle des Systems zu erkennen. Das Messrau-schen beträgt für die X- und Y-Koordinate nur wenige Millimeter. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit einer geodätischen GNSS Messung.

Precise Point Positioning (PPP) ist eine GNSS-Auswertetechnik zur genauen Positionsbestimmung, die im Gegensatz zu her-kömmlichen, differenziellen Auswerteansätzen ohne Verwen-dung einer Referenzstation auskommt. Somit entfallen auch die Kosten einer zusätz-lichen Referenzstation. Allerdings müssen bei die-sem Verfahren zahlreiche Korrektionen, u.a. präzise Satellitenbahn- und Uhr-informationen berücksich-tigt werden. Die Korrektu-ren werden durch ein weltumspandendes Netz von kostenfreien Referenzstation berechnet und kostenlos im Internet bereit gestellt. Die ersten Ergebnisse, die in der FA VI ausgewertet wurden belegen, dass im statischen und kinematischen Messmodus Positionen im dm-Bereich erreichbar sind.

Satellitenvermessung

Performance-SteigerungenDifferenzielle Codelösungen mit Hilfe kostenpflichtiger DGNSS-Korrekturdatenübertragung über Satellit (z.B. OmniSTAR) oder kostenlosen Korrekturdienste (z.B. Egnos oder WAAS) haben zur weiteren Veränderung der Vermessung mit GNSS beigetragen. Mit Hilfe des entwickel-ten Choke-Rings, ist es möglich Mehrwegeffekte zu unterdrücken. Im vor-liegenden Diagramm ist zuerkennen, dass das Sig-nal-Rausch-Verhältnis mit einem Choke-Ring deut-lich besser ist.Performance-Steigerungen sind durch den kombinierten Einsatz von GPS/Glonass/Galileo - Empfängern in statischen und kine-matischen Bereichen zu erwarten. Dies schließt kürzere Initiali-sierungszeiten (Time to first Fix) und eine höhere Verfügbarkeit mit ein.

Trimble R8 GNSS

Trimble Bullett III mit Choke-Ring

07:50 08:25 09:00 09:35 10:10 10:45 13:25 14:00 14:35 15:10 15:450

0.1

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Uhrzeit

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5 Minuten Interval ublox und NovAtelrtkpost

NovAtelublox

07:50 08:25 09:00 09:35 10:10 10:45 13:25 14:00 14:35 15:10 15:450

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NovAtelublox

07:50 08:25 09:00 09:35 10:10 10:45 13:25 14:00 14:35 15:10 15:450

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Trimble Business Center

NovAtelublox

08:00 09:15 10:30 13:30 14:45 16:000

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NovAtelublox

08:00 09:15 10:30 13:30 14:45 16:000

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Trimble Business Center

NovAtelublox

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2

2.9

3

3.1

3.2

3.3

3.4

East - 433827 in [m]

Nor

th -

5584

748

in [m

]

Position Plot (ETRS89-System) Geschwindigkeit ~ 1.1 m/s

RTK Status FixRTK Status FloatReference Trajectory

0 10 20 30 40 50 60 70 80 9034

36

38

40

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46

48

50

52Einsatz des entwickelten Choke-Ring

Elevation [°]

Sig

nal/R

ausc

h-A

bsta

nd [d

BH

z]

Trimble Bullet IIITrimble Bullet III mit Choke-Ring

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5x 105

100.352

100.353

100.354

100.355

100.356

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100.358Ellipsoidische Höhe, Messdauer 5 1/2 Tage (Messfrequenz 1Hz)

# der Messung

Ell.

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[m]

Batterieublox Lea 6t, WLAN-Modul