GPS-Beobachtungsverfahren *
Von E. Nagel, München
Navigationsverfahren
Einzelpunkt-Navigation
Wie in den vorangegangenen Beiträgen bereits dargestellt, ist das ursprüng
liche GPS-Verfahren, die Einzelpunkt-Navigation aus reinen Codebeobachtungen, mit einem Genauigkeitsbereich von 1 m bis ca. 100 m für die Aufgaben des Vermessungswesens meist zu ungenau. Dies ist im wesentlichen
auf künstliche Verschlechterung durch militärische Stellen und die Einflüsse
aus dem Satellitensegment (Bahnfehler, Uhrenfehl er, Ionosphäre) zurückzu
führen.
Differentielles Verfahren (DGPS) als Navigationsverfahren
Wie ebenfalls bereits in den vorherigen Beiträgen besprochen, nutzt das dif
ferentielle V erfahren die Tatsache, daß die im Raumsegment liegenden
Hauptfehlerquellen der Einzelpunktnavigation für benachbarte Empfänger
genähert gleich sind und somit bei der Differenzbildung weitgehend heraus
fallen. Bei DGPS als Navigationsverfahren empfängt eine Basisstation
(Referenzstation) mit bekannten Koordinaten die Signale aller sichtbaren
Satelliten und berechnet hieraus Korrekturen, die dem bewegten Empfänger übermittelt und diesem zur Korrektur der Meßgrößen bei den von ihm ange-
• •
messenen Satelliten dienen. Die Ubermittlung kann z. B. per Postversand,
über Telephonleitungen (Telephonmodem) oder über eine Funkstrecke (Funkmodem) erfolgen. Hauptanwendung ist eine Echtzeitnavigation in
Quasi-�chtzeit (RT-DGPS), wozu Funkübertragung (LW, MW, UKW, 2mBand) notwendig ist. In Deutschland sind hierzu verschiedene DGPS-Dien
ste der Vermessungsverwaltungen (AdV) geplant.
Charakteristiken des DGPS-Verfahrens sind:
• Nutzung von Code-Messungen • Unbekannte sind nicht Koordinatendifferenzen, sondern absolute Koor
dinaten X, Y, Z im WGS 84.
* Nach einem Vortrag, gehalten beim Seminar »Einführung in die Praxis der GPS-Messungen«
des DVW-Landesverein Bayern am 15. März 1996 in München
Mitteilungsblatt DVW-B ayeni 411996 577
• Der bewegte Empfänger und die Referenzstation müssen im Gegensatz zu den im nächsten Abschnitt besprochenen cm-genauen Relativverfah
ren nicht zeitgleich dieselben Satelliten beobachten.
Die Genauigkeit der Positionierung mit DGPS erreicht heute auch bei kurzen Strecken bestenfalls 0,5 m (Standardabweichung). Dies liegt an der Ungenauigkeit der Code-Messungen. Trotzdem ist das Vermessungswesen stark an diesem GPS-V erfahren interessiert. Stellt es doch ein kostengünstiges und schnelles Verfahren zur Gewinnung von Geometriedaten für
Geoinformationssysteme dar.
Eine Genauigkeitssteigerung ist nur durch Nutzung von Trägerphasen-Messungen möglich (siehe Relativ-GPS).
Relativ-GPS
Relativ-GPS wird von Nutzern eingesetzt, die cm-Genauigkeit benötigen.
Im Gegensatz zum Verfahren des Differentiellen GPS (DGPS), bei dem aus Code-Beobachtungen und übermittelten Pseudostrecken-Korrekturwerten direkt die absoluten Koordinaten des Empfängers im WGS84 ermittelt wer
den, wird bei Relativ-GPS der Relativ-Vektor (Differenzvektor) zwischen zwei Empfängern als Unbekannte betrachtet.
Verfahren:
Wie beim DGPS werden wesentliche Fehler durch Differenzbildung zwischen zwei Empfängern ausgeschaltet. Deshalb sind bei DGPS mindestens
zwei Empfänger nötig. Charakteristisch für das Relativ-Verfahren ist; daß beide Empfänger gleiche Satelliten zu gleicher Zeit beobachten müssen (Unterschied zum DGPS !).
Um cm-Genauigkeit zu erreichen, werden beim Relativ-GPS Phasenmessungen an der Trägerwelle (Wellenlänge ca. 20 cm) genutzt, die mit Milli
metergenauigkeit aufgelöst werden können. Neben der hohen Auflösung der
Trägerphasenmessung trägt zur Genauigkeit des Relativverfahrens auch bei, daß der Einfluß von Mehrwegausbreitungen auf Trägerphasenmessungen wesentlich geringer ist als bei der Codephasenmessung.
Trotzdem werden aber auch bei Relativ-GPS Code-Messungen genutzt, nämlich zur schnellen Bestimmung der zunächst unbekannten Zahl ganzer Trägerwellen in der Meßstrecke (Initialisierung oder Ambiguity-Lösung).
578 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996
Die Koordinatendifferenzen zwischen Referenzempfänger und der Empfangsantenne lassen sich mit folgenden Beobachtungsverfahren bestimmen:
• »Statisches Verfahren« • »Schnelle Statik« • » Wiederbesetzung « • »Stop und Go« • » Kinematic«
Die genannten V erfahren lassen sich heute unter gewissen Bedingungen
auch bereits in Echtzeit auswerten ( siehe Abschnitt Echtzeit-GPS).
Statistisches Verfahren
Das Statische Verfahren ist das klassische Relativ-GPS- Verfahren für große Distanzen und höchste Genauigkeit. Es wird für die Neubestimmung oder
• • • •
Uberprüfung von übergeordneten Festpunktfeldem, für die Uberwachung tektonischer Verschiebungen, Deformationsmessungen usw. eingesetzt.
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Referenz (dx, dy, d�J
WGS84
X
Statisches Verfahren (Static DGPS)
Mitteilungsblatt DVW-Bayem 4/1996
Rover y
579
Verfahren: Alle verfügbaren Empfänger (mindestens zwei) messen über längere Zeiträume auf ausgewählten Punkten gleichzeitig die Trägerphasen von
möglichst vielen Satelliten. Eine solche Messung wird als >>Session« • •
bezeichnet. Uber die gesamte Session sollten mindestens vier Satelliten von allen Empfängern simultan beobachtbar sein. Kurze Zeitintervalle mit nur
drei Satelliten können überwunden werden.
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Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996
Die Meßdauer wächst mit dem Punktabstand bis zu mehreren Stunden. Für Strecken bis 20 km beträgt die Beobachtungszeit typisch etwa eine Stunde. Punktabstände bis 1 000 km sind mit Static möglich. Für längere Strecken
sollten zur Eliminierung der ionaspbärischen Einflüsse Zweifrequenzemp
fänger verwendet werden.
Genauigkeit:
Mit »Static« ist bis zu Pu.nktabständen von 100 km eine Lagegenauigkeit von 5 mm + 1 ppm erreichbar.
Gewährleistung der Zuverlässigkeit:
Die Nachbarschaftsgenauigkeit wird dadurch sichergestellt, daß die in Ses-• •
sions beobachteten Aufstellungsgruppen mit einer Uberlappung aneinander-
gereiht werden.
Eine durchgreifende Kontrolle erfolgt durch Wiederholungsmessungen mit anderem Satellitenfenster sowie ggf. auch anderem Beobachter und Empfangsgerät.
Fazit:
Das Statische Verfahren benötigt lange Beobachtungszeiten und einen
großen logistischen Aufwand. Es wird im allgemeinen bei Punktabständen ab 20 km angewendet und ersetzt heute die Triangulation. Für kurze Strecken bis maximal 10 Kilometer stehen heute schnelle Beobachtungsverfahren mit Meßzeiten von nur wenigen Minuten zur Verfügung, die in den nächsten Abschnitten besprochen werden.
Schnelle Statik (Rapid-Static)
Die gewünschte kurze Beobachtungszeit von wenigen Minuten pro Punkt bei Strecken bis 10 km liefert das Relativ -GPS-V erfahren »Rapid Static«, dem heute wohl am häufigsten angewendeten GPS-V erfahren mit cmGenauigkeit.
Verfahren:
Wie bei jedem Relativ-Verfahren sind mindestens zwei Empfänger nötig. Ein Empfänger beobachtet während der gesamten Messung auf einem festen Punkt. Dieser sog. Referenzempfänger kann auf einem koordinierten oder einem beliebigen Punkt aufgestellt werden. Die bewegten Empfänger werden vor dem Transport zum nächsten Punkt abgeschaltet, so daß auf dem neuen Punkt wiederum eine Lösung der Mehrdeutigkeit (Initialisierung) durchgeführt werden muß.
Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996 581
•
-
-
. .
Q = Rover
Voraussetzungen:
An
I
A. All.
6. = Referenzpunkt 1 ,2
Sofort ist erkennbar, daß Rapid-Static ohne eine schnelle Initialisierung
wenig Sinn macht. Voraussetzungen für die schnelle Lösung der Phasen
mehrdeutigkeit und damit kurze Beobachtungszeiten sind:
582 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996
• Einsatz von Zweifrequenzgeräten
• Nutzung von Code- und Trägerphasenmessungen
mindestens vier, möglichst fünf oder mehr Satelliten in günstiger geo
metrischer Konstellation
• eine geeignete Software zur schnellen Ambiguity-Lösung.
• Außerdem muß der Empfänger anzeigen, ob die bereits gewonnenen
Beobachtungen mit statistischer Wahrscheinlichkeit für eine Lösung der Phasenmehrdeutigkeit ausreichen.
• Die schnelle Ambiguity-Lösung ist bis Entfernungen von ca. 10 km
möglich.
• Abschattungen können die Beobachtungszeit deutlich verlängern.
• Bei kritischen Abschattungen müssen günstige Satellitenfenster gewählt
werden.
Genauigkeit: bis 10 km: 5 - 10 mm + 1 ppm.
Kontrolle: Zweitaufnahme mit neuer Referenzstation
Fazit:
Wegen der kurzen Beobachtungszeiten und cm-Genauigkeit im Entfer
nungsbereich bis etwa 10 km ist Rapid-Static heute das Standardverfahren
bei der Verdichtung der Festpunktfelder vierter Ordnung und des KFP-Fel
des sowie der Schaffung von Festpunktfeldern für Ingenieurprojekte. In der
Praxis wird derzeit der Entfernungsbereich auf ca. 6 km beschränkt.
Wiederbesetzung (Reoccupation)
Dieses Relativ-Verfahren wird angewendet, wenn aufgrund von Abschat
tungen und wegen der Zahl und Geometrie der Satelliten eine Ambiguity
Lösung nicht möglich ist.
Verfahren:
Wie bei Rapid Static wird mit den Rovern nur wenige Minuten beobachtet.
Die Referenzstation mißt kontinuierlich während der gesamten Messung
einschließlich Zweitbesetzung. Die Rover werden beim Transport zwischen
den Punkten abgeschaltet. Dieselben Punkte werden nach ein bis zwei Stun
den bei möglichst veränderter Satellitenkonstellation ein zweites oder wei
tere Male aufgestellt, um bei der Auswertung eine eindeutige Ambiguity-
Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996 583
Lösung zu erhalten. Die weiteren Aufstellungen dienen aber nicht zur Genauigkeitssteigerung.
Das V erfahren entspricht einer Messung mit sehr vielen Satelliten und daher einer erleichterten Bestimmung der Phasenmehrdeutigkeiten in einer kürzeren Zeit. Wirtschaftlich ist die Methode nur bei kurzen Distanzen zwischen den Stationen. Die Verwendung eines Zweifrequenzempfängers ist nicht notwendig und auch nicht sinnvoll.
Ergebnis:
Das V erfahren Wiederbesetzung liefert wie »Rapid Static« Differenzvektoren zwischen der Referenzstation und den Rovern im WGS 84.
Kontrollen:
Eine durchgreifende Kontrolle erfolgt durch unabhängige Zweitmessung mit einer anderen Referenzstation. Die Messungen der Wiederbesetzung dienen nur der Erleichterung der Ambiguity-Lösung, nicht für eine durch
greifende Kontrolle.
Fazit:
»Reoccupation« wird auf Problempunkten eingesetzt, um die Phasenmehrdeutigkeiten auch bei Einsatz von Einfrequenzempfängern leichter lösen zu können. Wegen des hohen Zeitaufwands wird dieses Verfahren bisher kaum eingesetzt.
Stop and Go
»Stop and Go« findet Anwendung bei einer großen Zahl von Punkten auf engem Raum im offenen Gelände.
Verfahren:
Wie bei Rapid Static bildet ein Empfänger die Referenzstation. Die Rover bewegen sich von Station zu Station, werden aber dabei im Unterschied zu
Rapid-Static beim Transport zwischen den Punkten nicht abgeschaltet. Die
Ambiguity-Lösung bleibt während der Bewegung zum nächsten Punkt
erhalten.
Zu Beginn der Messung wird eine Ambiguity-Lösung (Initialisierung) durchgeführt. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten:
a) Rapid-Static-Initialisierung
b) Stationierung der Referenzstation auf einem bekannten Punkt mit WGS
84-Koordinaten.
584 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996
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Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996
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585
c) Antennenaustausch (Antenna swap) ohne Unterbrechung des Kontakts
der Antennen zu den Satelliten
Bedingungen für Stop and Go:
• Zweifrequenzgeräte, geeignete Software • Eine Unterbrechung des kontinuierlichen Kontakts der bewegten Emp
fänger zu mindestens 4 Satelliten bedeutet den Verlust der Information
über die Phasenmehrdeutigkeit Bisher bedeutete dies ein mehrere Minuten dauerndes Verbleiben auf einem Punkt zur Neuinitialisierung. Seit
der Verfügbarkeit von OTF-Verfahren (»On the .Fly)« kann die Phasenmehrdeutigkeit bereits wieder während der Bewegung zum nächsten Punkt automatisch gelöst werden.
Ergebnis: Differenzvektoren im WGS 84
Genauigkeit: 1 - 3 cm + 1 ppm
Kontrollen:
Schutz vor groben Fehlern wird durch Rückkehr der Rover auf den Startpunkt erreicht. Durch eine Zweitmessung mit geänderter Referenzstation ist eine weitere Kontrolle und Genauigkeitssteigerung möglich.
Fazit:
Das V erfahren »Stop and Go« bietet sich an bei .einer größeren Zahl eng
zusammenliegender Punkte, besonders im offenen Gelände. Die neuerdings verfügbare OTF-�nitialisierung macht das Verfahren aber auch bei Abschat
tungen interessant. Von Vorteil sind die sehr kurzen Beobachtungszeiten bei
Genauigkeit im cm-Bereich.
Kinematisches Verfahren (True Kinematic)
Das Kinematische Verfahren dient zur Positionierung von bewegten Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen bis zu Geschwindigkeiten von ca. 100 km/h bei Genauigkeitsanforderungen im Zentimeterbereich.
Verfahren: .
Das Verfahren ist weitgehend identisch mit dem Verfahren Stop and Go.
Wesentlicher Unterschied ist, daß die Rover-Empfänger dauernd in Bewe
gung sind. Deshalb müssen die Positionen der Rover mit Zeitmarken identifiziert werden.
Die Phasenmehrdeutigkeiteil müssen zu Beginn der Messung gelöst werden (Initialisierung), wobei für eine schnelle Lösung Code- und Trägerphasen-
586 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996
•
messungen dienen. Zur Erhaltung der Mehrdeutigkeitslösung während der
Messung muß der Kontakt zu den bewegten Empfängern und den Satelliten
bestehen.
Reißt der Kontakt ab (Abschattungen, Störungen der Satellitenfunktion oder
zu hohe Geschwindigkeit), erfolgt eine neue Initialisierung. Hierbei braucht
nicht auf den Ausgangspunkt zurückgegangen werden. Wie beim Verfahren
»Stop and Go« hat auch hier die Initialisierung während der Bewegung
(Initialisierung »Ün the Fly«) wesentliche Fortschritte gebracht.
Genauigkeit: Wie bei Stop and Go
Bedingungen für das Verfahren Kinematic:
• Zweifrequenzgeräte zur schnellen Initialisierung
• geeignete Software
• günstige Satellitenkonstellation mit 5 oder mehr Satelliten
• möglichst kurze Strecken zwischen Referenz und Rover
• sehr hohe Speicherkapazität bei hohen Aufzeichnungsraten,
z. B. 1 Sekunde
Ergebnis:
Das Kinematische Verfahren liefert mit Zeitmarken vetsehene Differenz
vektoren zwischen Referenz und Rover im WGS 84.
Fazit:
Wie das Verfahren >>Stop and Go« dürfte Kinematic bei massiveren
Abschattungen nur relativ selten sinnvoll einsetzbar sein. Die heute verfüg
bare OTF-Initialisierung hat hier deutliche Verbesserungen gebracht.
Echtzeit-GPS
N avigation�verfahren in Echtzeit
Die GPS-Einzelpunktnavigation wurde von Anfang an als Echtzeitverfahren
zur Bestimmung von Position, Höhe, Kursrichtung und Geschwindigkeit
konzipiert.
Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996 587
Bei dem bereits besprochenen Differentiellen GPS-Navigationsverfahren
(DGPS) kann die Auswertung je nach dem Zeitpunkt des Empfangs der Kor
rekturdaten entweder nach der Messung (postprocessing) oder in (Quasi-) Echtzeit erfolgen (RT-DGPS).
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(dx d Referenz ' Y, d:z:J
WGS84
X
Relativ-GPS in Echtzeit
Rover y
Die im Vermessungswesen geforderte cm-Genauigkeit wird, wie bereits dargestellt, nur mit dem Relativ-Verfahren erreicht. Die auf der Referenzstation und den Rovern aufgezeichneten Daten werden in der Regel nach der Messung zusammengeführt und ausgewertet (post-processing). Unter gewissen Bedingungen kann die Auswertung heute auch bereits in Echtzeit erfolgen. Real-time GPS ist somit kein neues Meßverfahren. Vielmehr erfolgt lediglich die Auswertung in Echtzeit Mögliche Meßverfahren sind Rapid Static, Stop and Go und Kinematic. Einige Arbeiten des Vermessungswesens lassen sich ohne Echtzeitauswertung nicht realisieren (z. B. Absteckungen).
588 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996 •
Für Echtzeit-GPS mit cm-Genauigkeit werden die 11eßdaten des Referenz
empfängers zum Rover per Funk übertragen, Korrekturdaten ermittelt und
die Differenzvektoren zwischen Referenzempfänger und Rover im WGS 84
berechnet. Auch GK-Koordinaten lassen sich in Echtzeit ermitteln, wozu
entweder für ein größeres Gebiet gültige Transformationsparameter verwendet werden (Genauigkeit ca. 10 cm) oder eine ausreichende Zahl von Paßpunkten für eine Transformation vom WGS 84 in das örtlich gültige
Gebrauchs-GK-System zu bestimmen ist. Die Reichweite hängt von der
Geländegestalt und der Art der Datenübertragung zwischen Referenzstation
und Rover ab. Bei dichter Bebauung ohne direkte Sichtverbindung zwischen
den Funkstationen ist mit Schwierigkeiten zu rechnen. Außerdem wird die
Reichweite begrenzt von der Distanz, bis zu welcher die Phasenmehrdeutig
keiteil gelöst werden können. Real-time-GPS mit cm-Genauigkeit ist derzeit
bis max. etwa 10 km möglich.
Bedingungen für GPS mit cm-Genauigkeit sind:
- fünf oder mehr Satelliten mit gutem GDOP (günstige Geometrie)
- Funkverbindung muß bestehen
- die Phasenmehrdeutigkeit muß lösbar sein
Genauigkeit: Static: 5 mm + 1 ppm, Rapid Static: 5 - 10 mm + 1 ppm,
Stop and Go, Kinematic: 10 mm + 2 ppm.
Punktauswahl •
Bei der Auswahl von GPS-Punkten spielen ihre spätere praktische Nutzbar
keit, die Empfangsqualität der Satellitensignale und die Möglichkeit der
Transformation der Ergebnisse in das Gebrauchskoordinatensystem eine
Rolle.
Bezüglich der praktischen Nutzbarkeit von GPS-Punkten ist auf leichte
Erreichbarkeit mit dem Fahrzeug und schnelles Auffinden zu achten. Darü-.. ber hinaus ist die Sicherheit der Vermarkung und eine leichte Uberprüfbar-
keit auf unveränderte Punktlage wichtig. Mit Rücksicht auf spätere terrestri
sche Anschlußmessungen sollte mindestens ein koordiniertes Anschlußziel •
sichtbar sein. Bei Referenzstationen sollte aus Kostengründen darauf geach-
tet werden, daß die Ausrüstung möglichst unbeaufsichtigt bleiben kann.
Außerdem muß eine zuverlässige Stromversorgung gewährleistet sein. Eine Aufstellung des Referenzempfängers auf einem koordinatenmäßig bekannten Punkt ist nicht unbedingt notwendig. Wichtiger ist ein guter Empfang ohne Abschattung.
Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996 589
Die Empfangsqualität der Satellitensignale hängt ab von
• Abschattungen durch Bauwerke, Bewuchs usw.,
• Reflexionen an Gebäuden, Drahtgittern usw.(»Multipath«),
• Rückkoppelungen des GPS-Antennensignals mit Kabeln,
• elektromagnetischen Feldern von Stromkabeln und
• Interferenzen von Mikrowellen-Kommunikationssignalen (z. B. Richtfunkstrecken).
Deshalb sind bei der Punktauswahl über die Beachtungen von Abschattun
gen hinaus folgende Vorsichtsmaßnahmen zu empfehlen:
• Möglichst keine Messungen auf Punkten in der Nähe von evtl. reflektierenden Oberflächen, z. B. Drahtgeflechtzäune, Gebäude mit Metall
verkleidung, große Gas- oder W assertanks, große Hinweisschilder aus Metall, asphaltierte Parkplätze, parkende Autos.
• Keine Messung direkt unter Freileitungen. Abstand zu Starkstromleitung�n mindestens 100 m. (Anm.: Nach Herstellerangaben sollen Empfänger der neuesten Generation
auch Messungen unter Hochspannungsleitungen erlauben.)
• Nähere Umgebung von Mikrowellensendem möglichst meiden.
Für die Punktauswahl ist auch die Möglichkeit einer sachgemäßen Trans
formation der WGS-84-Koordinaten in das GK-Gebrauchskoordinatensy
stem relevant, wozu GPS-Messungen auf mindestens drei Vergleichspunkten nötig sind, die nicht auf einer Geraden liegen. In der Praxis werden über
das gesamte Meßgebiet gleichmäßig verteilte Transformationspunkte ausge
wählt, die das Feld der Neupunkte möglichst vollständig einschließen. Evtl.
vorhandene Punkte des DREF-Bezugssystems mit seinen Verdichtungs
stufen sind dabei bevorzugte Paßpunkte, weil sie neben dem Übergang nach
GK auch den Anschluß an das national und europaweit einheitlich definierte
GPS-Bezugssystem (siehe nächster Abschnitt) ermöglichen.
Bezugssysteme ·
Jede Vermessung benötigt Anschlußpunkte im zugrundeliegenden Koordi
natensystem. Bei Vermessungen mit GPS dienen die Satelliten mit ihren
dreidimensionalen WGS 84-Koordinaten als Anschlußpunkte. Deshalb lie
fert GPS das Ergebnis im WGS 84. Das in den Festlegungen des WGS 84
590 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996
enthaltene dreidimensionale orthogonale Koordinatensystem mit Ursprung im Erdmittelpunkt ist genähert erdfest, rotiert also (quasi fix) mit der Erde gegenüber dem Weltraum.
Die Bewegung der Satelliten ist nur von den im Weltraum auf sie wirkenden
Kräften abhängig und wird zunächst in einem Koordinatensystem berechnet, das quasi fix mit dem Weltraum (den Fixsternen) verbunden ist. Um die Koordinaten der Satelliten im WGS 84 zu erhalten, ist eine Transformation
der Koordinaten vom weltraumfesten zum erdfesten Koordinatensystem nötig, bei der die Lage der Erdrotationsachse im Weltraum und insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit der Erde eine wichtige Rolle spielen.
Beim WGS 84 ist das quasi-erdfeste System durch die Koordinaten der fünf Stationen des sog. »Kontrollsegments« (siehe Beitrag Schließer) repräsen
tiert. Dieses System ist mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Metern (ohne
Selected Availability, SA) realisiert, was für praktische Aufgaben der Navigation vollkommen ausreichend ist. Die globale Plattentektonik mit Bewegungsraten von zwei bis fünfzehn cm pro Jahr kann beim WGS 84 somit vernachlässigt werden.
Aus den Koordinaten der Kontrollstationen und den vom Kontrollsystem durchgeführten Beobachtungen werden die Satellitenkoordinaten in ihrer zeitlichen Abfolge (Ephemeriden) bestimmt. Ein GPS-Nutzer berechnet nun aus den Satellitenephemeriden und seinen eigenen Beobachtungen seine Position, die somit niemals genauer als ein bis zwei Meter sein kann.
Das IERS Terrestrial Reference Frame, ITRF
Für Vermessungen mit cm-Genauigkeit muß auch das zugrundeliegende
Bezugssystem durch Punkte entsprechender Koordinatengenauigkeit festgelegt sein, was wegen der genannten Plattentektonik mit jährlichen Bewegungen von bis zu 15 cm sicherlich nicht einfach zu verwirklichen ist. Die
ser Aufgabe hat sich der Internationale Erdrotationsdienst (IERS- International Earth Rotation Service) angenommen und ein weltweites Netz von über hundert Beobachtungsstationen eingerichtet, deren Koordinaten durch globale Verfahren (z. B. SLR = Satellite Laser Ranging, VLBI = Very Long
Baseline Interferometry, LLR =Lunar Laser Ranging usw.) bestimmt wer
den. Die Koordinaten dieser Stationen des IERS definieren das Interna
tionale Terrestrische Bezugssystem (ITRF = International Terrestrial Refe
rence Frame).
Die ITRF-Koordinaten weisen eine Genauigkeit im Bereich weniger cm auf und verändern sich wegen der Plattentektonik ständig. In diesem Zusam
menhang von Bedeutung ist, daß das ITRF und das WGS 84 im Rahmen
Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996 59 1
ihrer jeweiligen Genauigkeit übereinstimmen, so daß das genauere ITRF an die Stelle des WGS 84 treten kann. Die repräsentativ für je ein Jahr berechneten ITRF-Koordinaten müssen deshalb mit Jahreskennungen versehen werden.
Das European Terrestrial Reference Frame = ETRF
•
Cagliarig)
IRoumellil �
• stationäres Lasersystem o moblies Lasersystem • stationäres VLBI-System o moblies VLBI-System
Der auf der eurasischen Platte liegende Anteil des ETRF mit seinen Koordinaten zur Epoche 1989.0 diente, ergänzt durch weitere mobile VLBI-Stationen, zur Definition des Europäischen Terrestrischen Bezugssytems ETRF
. .
(European Terrestrial Reference Frame). Das ETRF besteht aus rund 20 Punkten mit einem Abstand vom mehreren hundert bis über tausend Kilo
meter.
Das European Reference Frame 1989 = EUREF-89 = »A-Netz«
Ausgehend von den Koordinaten der rund 20 Stationen des ETRF wurde
1989 eine erste Verdichtung des europäischen Bezugssystems durch GPS
Messungen durchgeführt. Dieses Bezugssystem mit der Bezeichnung
EUREF-89 besteht aus 93 Punkten in 17 europäischen Ländern mit einem
Punktabstand von rund 200 bis 500 km.
592 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 411996
•
. ß ..
Die Punkte des EUREF-89 bilden das GPS-Netz der Hierarchiestufe A, das sog. »A-Netz«. In Bayern und seinen Randbereichen liegen vier Punkte des A-Netzes (Bayer. LV A, 1995, S. 25).
Das DREF 9 1 (Deutsches GPS-REFerenznetz) = »B-Netz«
Eine weitere Verdichtung des EUREF-89 im Jahre 1991 mit GPS-Messungen lieferte einen Festpunktrahmen mit Punktabständen von rund 40 bis
etwas über 100 km. In Bayern und seines Randbereichen liegen 23 DREFPunkte, das sog. »B-Netz« (Bayer. LV A, 1995, Seite 25). Das »B-Netz« ist
in der Abbildung zum Statischen Verfahren dargestellt. Die dunklen Punkte
sind die EUREF-Punkte, die hellen Punkte die Neupunkte.
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Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996 593
Das »C-Netz«
Eine weitere Verdichtungsstufe mit der Bezeichnung »C-Netz« wird von
den Landesvermessungsbehörden der Länder mit Punktabständen von etwa
20 bis 25 km bestimmt. In Bayern sind die Messungen für die rund 140
Punkte des C-Netzes Anfang 1995 abgeschlossen worden (Bayer. LV A, .
1995, S. 25).
Das »D-Netz«
Für praktische Arbeiten im Lagefestpunktfeld werden derzeit vom Bayer.
Landesvermessungsamt im Anschluß an das C-Netz mit hoher Genauigkeit (Verfahren »STATIC«) geeignete Zentralpunkte im Abstand von etwa 10
bis 12 km bestimmt. Diese Punkte bilden das sog. »D-Netz« und dienen der weiteren Verdichtung des Lagefestpunktfeldes bis herunter zum KFP-Feld
in einem Umkreis von bis zu ca. fünf km um den Zentralpunkt Das bedeutet, daß mit Hilfe des D-Netzes neue GPS-Punkte mit dem schnel-
.
len V erfahren » Rapi.d-Static« im europaweit einheitlich definierten Refe-
renzsystem ETRF bestimmt werden können. Hier ist zu bemerken, daß die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwal
tungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) im Jahre 199 1
beschlossen hat, » ... das System ETRF als einheitliches, europaweit gelten
des, gemeinsames, auch für die Basisinformationssysteme Landesvermessung und Liegenschaftskataster geltendes Bezugssystem einzuführen, um
eine über die Landesgrenzen hinausgehende interdisziplinäre Bereitstellung und Verarbeitung von boden- und raumbezogenen Daten zu gewährleisten«.
Für praktische Zwecke können die dreidimensionalen ETRF-Koordinaten mit der durch den Abstand der benutzten ETRF-Punkte gegebenen räumli
chen Auflösung in ebene rechtwinklige Koordinaten (GK, UTM) umge
rechnet werden. Bei Anschluß an D-Netz-Punkte sind dies Bereiche mit
einer Ausdehnung von ca. drei bis sechs km. Abweichungen zu den örtlichen GK-Gebrauchskoordinaten zeigen die Netzspannungen auf. Für den örtlichen Anschluß von Kataster- und Ingenieurvermessungen an ein ETRS-Gebrauchsnetz (heute GK) dürften noch
umfangreiche Neumessungen des KFP-Feldes mit GPS im ETRF notwendig 0
se1n.
DGPS - Dienste
Bei DGPS als Navigationsverfahren mit einer Genauigkeit von 0,5 m bis einige m sowie bei Relativ-GPS mit cm-Genauigkeit werden, wie bereits
erwähnt, Beobachtungen auf einer Referenzstation benötigt. Bisher wurden
594 Mitteilungsblatt DVW-Bayern 4/1996
die Referenzstationen meist mit eigenen GPS-Empfängem besetzt. Für die
Zukunft zeichnet sich aber ab, daß verstärkt auf die Daten von permanent
arbeitenden Referenzstationen zurückgegriffen werden kann.
Dabei können folgende V orgehensweisen unterschieden werden:
• Die von einem Betreiber vorgehaltenen Daten der R�ferenzstation
werden für nachträgliche Berechnungen (Postprocessing) verwendet. • Die Streckenkorrektionen der Referenzstation werden in Echtzeit
genutzt (normales DGPS). • Streckenkorrektionen der Referenzstation und zusätzlich Träger
phasenglättungeil auf der bewegten Station (carrier smoothed DGPS)
werden genutzt. • pie auf der Referenzstation gemessenen Trägerphasendaten werden in
Echtzeit genutzt.
DGPS-Dienste für Navigation, GIS-Datenerfassung, Umwelt usw.
DGPS-Dienste für den Genauigkeitsbereich von bestenfalls 1 m (Naviga
tion, GIS, Umwelt, Polizei, Verkehrsleitsysteme usw.) werden weltweit von
kommerziellen Anbietem, den für See-, Luft- und Landverkehr zuständigen • •
Behörden und von den Vermessungsverwaltungen aufgebaut. Die Ubertra-
gungsrate für die Korrekturdaten beträgt je nach Satellitenzahl und Zeittakt . 50 bis etwa 200 Bit pro Sekunde, so daß zur Übertragung neben UKW auch
die weitreichenden Lang- und Mittelwellensender geeignet sind. Dabei wird
ein international vereinbartes Datenformat, das RTCM - Format (Radio Technical Committee for Marine Services), benutzt. Die Reichweite beträgt
• •
einige hundert Kilometer. Globale DGPS-Dienste nutzen zur Ubertragung
der Korrekturdaten die maritimen Kommunikationssatelliten INMARSA T.
In der BRD wird für diesen Genauigkeitsbereich von der AdV der EPS (Echtzeit-Positionierungs-Service) mit einer Genauigkeit von ein bis drei m
aufgebaut. Für Bayern ist die Nutzung von EPS bereits nahezu landesweit möglich.
Derzeit sendet der Bayer. Rundfunk die Daten über seine UKW-Sender München-Ismaning und Dillberg bei Nürnberg aus. Benötigt wird ein UKW-Rundfunkempfänger für den Sender Bayern 3 im RDS (Radio Data System), ein RDS-Decoder, der das Format RTCM liefert, und ein GPSEmpfänger mit RTCM-Eingang. Einige Hersteller bieten gebrauchsfertige Lösungen an. Daneben entsteht in Zusammenarbeit zwischen dem Institut
für Augewandte Geodäsie in Frankfurt und der Deutschen TELEKOM ein
DGPS-Dienst auf Langwelle. Die Endgeräte dürften demnächst verfügbar •
se1n.
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•
Präzise DGPS-Dienste (PDGPS-Dienste) •
Bei Genauigkeitsanforderungen im cm-Bereich sind, wie bereits erwähnt,
Trägerphasenmessungen und eine Lösung der Mehrdeutigkeiten auf der
Nutzerseite nötig. Dazu müssen die Trägerphasenbeobach�ungen der Refe
renzstationen zum Nutzer übertragen und dort in Echtzeit zusammen mit den • •
Nutzerdaten ausgewertet werden. Da die hier notwendige Ubertragungsrate • •
von etwa 2.400 Bits pro Sekunde Ubertragungskanäle im Dezimeter- und Meterband (VHF, UHF) erfordert, liegen derzeit die wesentlichen Engpässe
in der V erfügbarkeit geeigneter Kommunikationskanäle.
Die AdV baut derzeit neben dem bereits genannten EPS drei präzise DGPS
Dienste auf, nämlich
• HEPS (Hochpräziser Echtzeit- Positionierungs-Service), Genauig-
keit 1 - 5 cm, Korrekturdatenübertragung samt Trägerphasen über Funk
im 2 m- Band. In Deutschland sind derzeit etwa 14 Referenzstationen für HEPS in Betrieb. Bayern betreibt seit 1995 eine entsprechende Refe
renzstation. Ein eigener Sender für den Münchner Raum strahlt die Kor
rekturen aus, Reichweite ca. 20 km.
• GPPS (Geodätischer Präziser Positionierungs-Service ), Genauigkeit 1 cm, Postprocessing nach ca. 15 Min., Wählverbindung. Deutschland
weit sind derzeit rund 60 Referenzstationen in Betrieb oder im Aufbau.
Teilbereiche des Bundesgebiets sind bereits flächendeckend versorgt.
Das Bayer. Landesvermessungsamt betreibt bereits seit 1995 eine geeig
nete hochgenaue Referenzstation.
• GHPS (Gedätischer Hochpräziser Positionierungs-Service), Genau-igkeit besser 1 cm, Postprocessing, Verwendung von präzisen Satellitenephemeriden.
Qualitätssicherung
Für den Vermessungsfachmann ist auch beim »High-Tech«-Verfahren GPS
vermessungstechnische Sorgfalt unerläßlich. Dazu gehören eine stabile Vermarkung, eine eindeutige Punktbezeichnung sowie eine exakte Zentrierung und Horizontierung. Besondere Aufmerksamkeit muß der Messung und
Dokumentation der Antennenhöhe gelten, weil GPS vom Prinzip her ein
3D-V erfahren ist.
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. Lange Basislinien sollten bei Nacht beobachtet, bei den schnellen Verfahren nach Möglichkeit günstige Beobachtungsfenster und keine zu langen Punkt
ketten pro Beobachtungsfenster gewählt werden.
Unabhängige Kontrollen durch Doppelmessungen, Schleifenschlüsse oder
Kombination mit klassischen terrestrischen V erfahren bleiben nach wie vor
eine Selbstverständlichkeit für den V ermessungsfachmann. Dies gilt besonders auch für die heute in großer Breite angewendeten »schnellen« Verfahren.
Literatur:
·Bauer, M.:
Bayerisches
Landesvermessungsamt
Euler, H. -1.:
Hankemeier, P.:
Illner, M.:
Illner, M.:
Nagel, E.:
Pahler, K.:
•
Seeber, G.:
Sigl, R.:
GPS-Meßtechniken und Auswerteverfahren in kleinräumi
gen Netzen, Der Vermessungsingenieur, 2/96.
»Das Bayer. Landesvermessungsamt«, Heft 12
der Schriftenreihe der Bayer. V ermessungsverwaltung,
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Statische I Kinematische Echtzeitvermessung mit GPS,
in: GPS-Leistungsbilanz "94,
DVW-Schriftenreihe, 18, 1995.
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SPN, 3/1995.
GPS-Systembeschreibung, in: GPS-Leistungsbilanz
"94, DVW-Schriftenreihe, 18, 1995.
Aspekte der Planung von GPS-Beobachtungen,
in: GPS-Leistungsbilanz "94,
DVW-Schriftenreihe, 18, 1995.
Das Globale Positionierungssystem (GPS) und sein
Einsatz im V ermessungswesen,
Mitteilungsblatt des DVW-Bayern, 111989.
Satellitengestützte Positionierungsdienste der Bayer.
Vermessungsverwaltung - Hilfsmittel zur Erfassung
von Geodaten, Vortrag bei der 10. Informationsveranstal
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Grundprinzip der Vermessung mit GPS,
Der Vermessungsingenieur, 2/96.
Satellitenpositionierung - Bearbeitung geodätischer
Festpunktfelder in der Zukunft,
Mitteilungsblatt des DVW-Bayern, 111989.
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