Was passiert in satellitengestützten Referenzstationsnetzen - Geo++

Was passiert in
satellitengestützten
Referenzstationsnetzen
Andreas Bagge
Geo++® GmbH
D-30827 Garbsen
www.geopp.de
VDV-Seminar Fulda 16.-17.9.2004
© 2004 Geo++® GmbH
Inhalt
●
Zielsetzung eines Referenznetzes
●
GNSS Grundprinzip
–
●
Differentielles GNSS
–
●
GNSS Fehlerquellen
Entfernungsabhängigkeit
RTK Netze
–
Mehrdeutigkeitsproblematik
–
Modellierung der Fehlerquellen, Systemzustand
–
Repräsentation
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Zielsetzung eines Referenznetzes
●
Bereitstellung von Diensten zur präzisen Positionsbestimmung
–
homogene Qualität (Genauigkeit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit)
–
einheitliche Bezugssysteme
–
multifunktionale Anwendungen
●
Navigation
z.B. ÖPNV, Sicherheitsdienste, Landwirtschaft, …
Vermessung
–
●
Kataster, Landesvermessung, Ingenieurvermessung, z.B. Bahn, ...
Infrastrukturmanagement, GIS
–
●
–
Leitungsdokumentation, Energieversorgung, Entwässerung, ...
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GNSS Grundprinzip
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GNSS-Grundprinzip
R2
R3
R1
R4
 P = PDOP ∗ l
Z
X
Y
WGS84
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n ≥ 4 Beobachtungen : { PR1 PR 2 PR3 PR 4 ⋯ PR n }
4 Unbekannte : { X
Y
Z
t
}
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GNSS Genauigkeit
 P = PDOP∗ l
P
- Standardabw. des 3D-Positionsfehlers
l
- Standardabweichung einer Pseudorange
- Summe aller Fehler!
PDOP - Position Dilution Of Precision
- Geometriefaktor für die
Satelliten–Receiver-Konstellation
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GNSS Accuracy
 P = PDOP∗ l
●
gute Geometrie: PDOP = 2 – 3
●
gewünschte Positionsgenauigkeit: 2 - 3 cm
●
 erforderliche Genauigkeit der Pseudorange: 1 cm
❐
●
 nur mit Trägerphasen
aber: systematische Fehler!
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GNSS Fehlerquellen
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Wahrer Orbit
Fehlereinfluss 
B
Orbit-Fehler
Satellitenbahnfehler
Broadcast Orbit
Z
X
Y
WGS84
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Satellitenuhrfehler
S
Fehlereinfluss
Z
X
Y
WGS84
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Ionosphäre
Fehlereinfluss (dispersiv):  I
- Beschleunigung der Trägerphase
- Verzögerung der Codephase
Z
X
Y
WGS84
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Troposphäre
Fehlereinfluss: T
- nicht-dispersive Refraktion
Z
X
Y
WGS84
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Multipath
Fehlereinfluss M
Signal-Interferenenz
Z
X
Y
WGS84
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Antennenphasenzentrumsvariationnen (PCV)
Fehlereinfluss:  A
Offsets und elev./azim.
abhängige Variationen
Z
X
Y
WGS84
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Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
Receiveruhrfehler
Z
X
Y
WGS84
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4te Unbekannte
t R
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Größe der Fehlereinflüsse
Fehlerquelle
Absoluter Einfluss
Satellite Orbit
Satellite Clock
Ionosphere
Troposphere
Multipath Code
Multipath Phase
Antenna
2 ... 50m
2 ... 100m
0.5 ... >100 m
0.01 ... 0.5 m
m
mm ... cm
mm ... cm
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Absolute („Stand-Alone“) Positionierung
●
●
●
Positionsbestimmung eines einzelnen GNSS Empfängers
im System des GNSS
voller Einfluss aller
Fehlerquellen
Genauigkeit bei GLONASS/GPS
–
5 – 20 m
–
für viele Anwendungen
nicht ausreichend!
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Differentielles GNSS
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Differentielle („DGNSS“) Positionierung
●
●
●
●
Ermittlung aller Fehlereinflüsse
auf einer bekannten Station
 „Korrekturen“
Übertragung der Korrekturen
zum Rover
Anbringen der Korrekturen
 reduzierter Fehlereinfluss
Berechnung der Position
–
mit Code („DGNSS“) oder
–
mit Trägerphase („RTK“)
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Pseudorange-Korrekturen
Pseudorange:
PR gem. = R0  S   B  I T   t  L
R0
Referenzstation =>
R0
,t
Pseudorange-Korrektur:
Fehlereinflüsse:
Satellite clock S
Satellite orbit  B
I
Ionosphere
T
Troposphere
PRC = PR − R0 − t
PRC = S   B   I  T   L
t
Receiver clock
Multipath, Antenna, Noise:
 L =  M   A  
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Differentielle („DGNSS“) Positionierung
●
Positionsbestimmung eines einzelnen GNSS Empfängers
in Bezug auf eine Referenzstation
●
Reduktion des Einflusses der Fehlerquellen
●
Genauigkeit GLONASS/GPS
●
–
DGNSS: ½ -3 m + 1-20 ppm
–
RTK: 1-3 cm + 1-20 ppm
Problem: Entfernungsabhängigkeit der Fehlereinflüsse!
–
●
Ursache: Räumliche Variationen
zusätzl. Fehlerquelle: Koordinaten der Referenzstation
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GNSS-Fehlerquellen
Räumliche Variationen
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Größe der Fehlereinflüsse
Fehlerquelle
Absoluter Einfluss
Relativer Einfluss
Satellite Orbit
Satellite Clock
Ionosphere
Troposphere
Multipath Code
Multipath Phase
Antenna
2 ... 50m
2 ... 100m
0.5 ... >100 m
0.01 ... 0.5 m
m
mm ... cm
mm ... cm
0.1 ... 2 ppm
0.0 ppm
1 ... 50 ppm
0 ... 3 ppm
m
mm ... cm
mm ... cm
Hohe räuml. Korrelation
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Lokal (Kalibrierung)
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DGNSS Entfernungsabhängigkeit
PRC
Broadcast-Korrektur (pro Satellit)
entfernungsabhängige Fehler
(mindert Qualität mit
zunehmender Entfernung)
Distanz
Referenz
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Rover
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Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit
100 %
Verfügbarkei, Zuverlässigkeit
Genauigkeit
1 cm
Entfernung von Referenzstation
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Unvernetzte Referenzstationen
bei sehr guten Bedingungen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit
gut
schlecht
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Unvernetzte Referenzstationen
bei mittleren Bedingungen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit
gut
schlecht
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Unvernetzte Referenzstationen
bei schlechten Bedingungen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit
gut
schlecht
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Unvernetzte Referenzstationen
bei extrem starker Ionosphäre
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit
gut
schlecht
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Einfaches RTK:
RTK Grenze bei einzelner Basistation
PRC
RTK Grenze
Broadcast Korrektur
maximal akzeptierter
Fehler für RTK
Referenz
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Entfernung
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RTK Netze
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Vernetzte Referenzstationen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeit
gut
schlecht
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Vernetzung aus Nutzersicht
●
●
Nutzer im Feld
❐
Einweg-Kommunikation
❐
empfängt alle erforderl.
Korrekturen/Referenzdaten
❐
bestimmt absolute
RTK-Position
❐
jederzeit/überall
1 cm Genauigkeit
cm-Genauigkeit – überall!
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Entfernungsabhängige Fehler aus
RTK-Vernetzung
PRC
„Interpolierter“ Fehlereinfluss
Distanz
Ref 1
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Rover
Ref 2
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Mehrdeutigkeitsproblematik
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Mehrdeutigkeitsniveau
Phasenkorrektur
2
identische
Ambiguity Levels

unterschiedlicher
Ambiguity Level





Distanz
Ref1
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Rover
Ref2
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Range Observation
Entfernungsmessung R
zu 1 Satelliten
R
Receiver muss
irgendwo auf der
Kugeloberfläche sein
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Geometrischer Ort
aus 3D-Entfernungsmessung
Entfernungsmessung
zu 2 Satelliten
R2
R1
Receiver muss
irgendwo auf dem
Schnittkreis sein
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Range Observation
R
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Mehrdeutige Entfernung (Phase)
1 Satellit
1l
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Ambiguity Search
2 Satelliten
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Ambiguity Search
3 Satelliten
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Ambiguity Search
4 Satelliten
mehr Satelliten  weniger Kandidaten
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Ambiguity Search: schwache Genauigkeit
schwache Genauigkeit  mehr Kandidaten
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Ambiguity Search: systematische Fehler
systematische Fehler  falsche Kandidaten
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Modellierung
der Fehlerquellen
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Modellierung der Fehlerquellen
●
Minimierung der systematischen Fehlereinflüsse
●
sicherere Mehrdeutigkeitsbestimmung
●
bessere räumliche Pädiktion für Rover
●
genauere zeitliche Prädiktion möglich
komplexe vollständige Modelle
für den physikalischen Systemzustand („State“)
aller Fehlerquellen
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State Monitoring am Beispiel GNSMART
●
komplettes Zustandsmodell (State Space Model SSM)
●
Multi-station RT Netzlösung
●
●
●
●
höhere Redundanz gegenüber Dreiecksmaschen
●
größere Stationsabstände (sparse networks)
●
robust gegenüber Stations-/Kommunikationausfällen
undifferenzierte Beobachtungen
komplettes (regionales) Fehlermodell mit TrägerphasenGenauigkeit
undifferenzierte Mehrdeutigkeitslösung
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GNSMART: State Monitoring
●
bestimmt den (Fehler-)Zustand des GNSS-Systems
❐
Satellite Clock Synchronization Error
❐
Satellite Signal Delays (Group Delays)
❐
Satellite Orbit Error (Kinematic Orbits)
❐
❐
Ionospheric Signal Delays
Tropospheric Signal Delays
❐
Receiver Multipath (optional)
❐
Carrier Phase Ambiguities
❐
Receiver Coordinates (optional)
❐
Receiver Clock Synchronization Error
Receiver Signal Delays (Group Delays)
❐ ... Fulda 16.-17.9.2004
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❐
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Repräsentation
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Verfahren der Zustandsrepräsentation
●
●
Zustandsparameter im Zustandsraum
– „State Space Representation“ (SSR)
– funktionale Beschreibung der Fehlerursachen
– universelle Methode für zukünftige Anwendungen
transformierte Zustandsparameter im Beobachtungsraum
– „Observation Space Representation“ (OSR)
– entfernungsabhängig wirkende Zustandsparameter werden in
den Beobachtungsraum transformiert und mit
Beobachtungsdaten der Referenzstationen verknüpft
●
●
●
RTCM 18/19, RTCM 20/21 + FKP (Flächenkorrekturparameter)
PRS (Pseudoreferenzstation)
VRS (virtuelle Referenzstation)
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FKP Repräsentation
Phasenkorrektur

1
FKP
 FKP Repräsentationsfehler
1
 FKP
M
2
Ref 1
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Rover
Distanz
Ref 2
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FKP Repräsentation
Beispiel GNSMART
●
●
eine FKP-Ebene pro:
❐
Referenzstation
(=„Basissignal“)
❐
Signal (Li, L0)
❐
Satelliten
optional: Polynome
höherer Ordnung
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PRC
Φ
Λ
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Virtuelle Referenzstation (VRS)
Phasenkorrektur
Troposphärisches Model übertragen

VRS Repräsentationsfehler
1
VRS  M
2
Ref 1
Ref V
Rover
Distanz
Ref 2
Problem: bewegte (virt.) Referenzstation?
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Pseudo-Referenzstation (PRS)
Phasenkorrektur
Distanz: Rover erwartet Restfehler

 PRS Repräsentationsfehler
1
 PRS
M
2
PRS
Ref 1
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Rover
Distanz
Ref 2
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Ambiguity-freie
Phasenkorrektur- Differenzen (RTCM 3.1)
Phasenkorrektur

1
Cor Repräsentationsfehler
1
Cor
 12
M
2
Ref 1
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Rover
Distanz
Ref 2
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Individualisierte Korrekturdaten
mit Geo++ FKP – PRS – VRS
Geo++ FKP:
Geo++ PRS:
Geo++ VRS:
„classic“ VRS:
„reale“ Referenzstation
„sichtbare“ Referenzstation
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individualisierte Korrekturen
bewegter Rover
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Geo++ GNSMART
vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
... artist's view of Geo++® building in Garbsen
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