Herzlich Willkommen Herr VOR Wirth Abteilung M, Referat Geodäsie, Aufgabenbereich Gewässervermessung Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Höhenmessungen mit GPS Koblenz, den 16.11.2006 GPS-Höhenmessung in der Hydrographie -Status Quo und Entwicklungstendenzen GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Hydrographisches Nutzerprofil für GNSS-Dienste ¾ Hydrographie und Schifffahrt sind Echtzeitnutzer ¾ Einsatzzeit „rund um die Uhr“, bzw. 8 Stunden kontinuierlich ¾ Eigene RS nur dort, wo Dienste nicht nutzbar ¾ SAPOS-HEPS & eigene RS: geforderte Höhenunsicherheit (68%) < 5 cm Höhenunsicherheit umfasst zufällige und systematische Abweichungen GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Ortung und Tiefenmessung GPS-Satelliten Korrekturdaten 3dimensionale GPS-Ortung Referenzstation - der Landesvermessung (www.sapos.de) - temporäre Referenzstation des WSA Lotung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Prinzipskizze eines Vermessungssystems (Messplanung Schiffsführung Datenerfassung Datensichtung) GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Echolotung Einfachschwingersystem (Vertikalecholot) 5 – 15 Messwerte/sek GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Mehrfachschwingersystem Fächerecholot (1,bzw. 2 Schwinger) (n-Vertikalecholote) 200 – 800 Messwerte/sek 1280 – 7500 Messwerte/sek GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Fehlerquellen und Problembereiche Tiefenmessung: Wasserschallprofil, Mehrwegeeffekte, Signalverarbeitung, Morphologie der Sohle Lage, Heading: Dämpfung IMU, Kompassfehler, Nullablagen der Sensoren 3D-Ortung: Beeinflussbar: Anschlusskoordinaten, Koordinatentransformation, Geoid, Hinzunehmen? Abschattungen, Mehrwegeeffekte, Variation Antennenphasenzentrum, Güte der Korrekturwerte Zuordnung der Messgrößen: Uhrenfehler der Sensoren, Einmessung der Sensoren ins Schiffskoordinatensystem GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Fehlerquellen und Problembereiche Abschattungen durch Bewuchs , Bebauung (Brücken…), Mehrwegeeffekte GPS-Höhenmessung in der Hydrographie GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Qualitätsmanagement Standards garantieren •gleichbleibende belegbare Qualität •schaffen Transparenz bei komplexen Abläufen •ermöglichen kontinuierliche Verbesserung der Produktion GPS-Höhenmessung in der Hydrographie der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Zielgröße Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Exzentrizitäten im Schiffskoordinatensystem Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Zielgröße Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Zielgröße Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Zielgröße Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler Qualitätssicherung der Ortung Prozessschritt Zielgröße Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Grobkontrolle der Exzentrizitäten Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler 1. Prüfung auf Passpunkt mit Trimble 5700, Zephir-Rover-Antenne Korrekturdatenverlust Lageabweichung ist tolerabel FKP Abweichung des Mittelwerts der Höhen << 1 cm Kurzfristige systematische Fehler ca. 10 cm! GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Lageabweichung ist tolerabel VRS Ursache? 2. Prüfung vor Beginn der Messung ¾ Grobkontrolle durch Vergleich der Örtlichkeit mit Schiffsposition in digitaler Karte ¾ Grobkontrolle der Koordinaten am Schiffsliegeplatz durch Aufnahme einer Zeitreihe ¾ Mittel Wsp.-Höhe bei frei treibendem Schiff und Vergleich mit Pegelablesung ¾ Vergleich der Ortung mit redundantem Ortungssystem (z.B. motorisierter Tachymeter) GPS-Höhenmessung in der Hydrographie 3. Plausibilisierung während der Messung ¾ RTK-quality ¾ Überwachung der gemessenen Wasserspiegelhöhe über Pegel und stationäres Wasserspiegellagenmodell Suspekte Messungen werden bei Überschreiten der Toleranz eliminiert! ΔHAntenne ΔH WSp-Modell Wasserspiegellagenmodell Sunk-und Schwall, Modellfehler, Rollbewegungen => Erkennen von Ausreißern der Höhe erst ab ~ 3 dm! GPS-Höhenmessung in der Hydrographie 3. Plausibilisierung während der Messung ¾ Prädiktion der Position aus KALMAN-Filter und Ausreißertest ¾ Integriertes hydrographisches Ortungssystem Multisensorintegration in adaptives und wissensbasiertes KALMAN-Filter: 9 Reduzieren zufälliger Abweichungen durch Glättung, 9 Grob-Fehlererkennung, 9 Überbrücken von GPS-Ausfällen, 9 Bestimmen von Driftparametern bei IMU‘s. Kalman-Filter zur Zustandsschätzung Automatische Ausreißerdetektion! Vω Vquer Filter-Position Gemessene Position GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Vlängs 4. Postprocessing Plausibilisierung ¾ Manuelle Kontrolle der GPS-Höhenzeitreihen ¾ Autom. Ausreißersuche durch Polynomapproximation mit robusten Schätzern ¾der GPS-Höhen ¾der berechneten Daten der Sohle ¾linienhaft profilweise ¾flächenhaft Die Größe des kleinsten detektierbaren Ausreißers hängt von der Bewegtheit der Morphologie ab! Schüttsteine: Kantenlänge 3 dm =>Erkennen von Ausreißern der Höhe erst ab 3 dm! GPS-Höhenmessung in der Hydrographie 5. Modellierung der Sohlgeometrie ¾Zufällige Höhenabweichungen werden durch die Ausgleichung nahezu eliminiert ¾Kurzzeitige Systematische Abweichungen werden wahrscheinlich reduziert, wenn die Messfahrten sich überlappen und der zeitliche Abstand der Messfahrten > Dauer der Kurzzeit-Systematik ist Unsicherheit der Einzelmessung ≠ Unsicherheit nach der Auswertung GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Fächerlotaufnahme mit HEPS Rot = Modell Minderung der systematischen Fehler in Überlappungsbereichen ? GPS-Höhenmessung in der Hydrographie 3D Ansichten Gewässersohle Rhein mit MS. „Unkelstein“ WSA Bingen GPS-Höhenmessung in der Hydrographie GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie 1. Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem 2. Fehlerquellen und Problembereiche 3. Qualitätssicherungsmaßnahmen 4. Zukünftige Anforderungen GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Zukünftige Anforderungen * Verfügbarkeit der Korrekturdaten rund um die Uhr * Verbesserung des Auswertemodells und der Korrekturparameter? ( FKP vs. VRS vs. MAC [Master Auxiliary Concept]? ) * Online-Korrektur der Phasenzentrumsvariationen mit Schiffslagemessungen * Kombination GPS mit anderen Sensoren => ECHTZEIT-Messunsicherheit (68%) < 3 cm in der Höhe ? GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Herr VOR Wirth Abteilung M, Referat Geodäsie, Aufgabenbereich Gewässervermessung Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/1306-Durchwahl, Fax: 0261/130-Durchwahl E-Mail: [email protected] www.bafg.de GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Kartendarstellungen und Sonderprodukte Fächerlotaufnahme: Rhein-Km 554,5 (Loreley) GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Gesamtmodell aus Laserscanner und Tiefenmessungen (5x5m-Raster) GPS-Höhenmessung in der Hydrographie Korrekturdatenmodelle Status quo und Verbesserungspotential Verbesserung der Korrekturmodelle? VRS Virtuelle Referenzstation FKP Flächenkorrekturparameter Rechenaufwand im Rover MAC Master Auxiliary Concept mit RTCM 3.1 Correction differences •FKP & VRS werden aus verschiedenen Auswertealgorithmen gewonnen => nicht eindeutig •MAC verlagert Verantwortung für Wahl des Auswerteund Korrekturmodells auf den Rover GPS-Höhenmessung in der Hydrographie
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