Was passiert in satellitengestützten Refer · PDF fileRTCM 18/19, RTCM 20/21 + FKP...

VDV-Seminar Fulda 16.-17.9.2004 © 2004 Geo++® GmbH

Was passiert in satellitengestützten

Referenzstationsnetzen

Geo++® GmbHD-30827 Garbsen

www.geopp.de

Andreas Bagge


Inhalt

● Zielsetzung eines Referenznetzes● GNSS Grundprinzip

– GNSS Fehlerquellen● Differentielles GNSS

– Entfernungsabhängigkeit● RTK Netze

– Mehrdeutigkeitsproblematik– Modellierung der Fehlerquellen, Systemzustand– Repräsentation


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, ...


GNSS Grundprinzip


GNSS-Grundprinzip

n≥4 Beobachtungen:{PR1 PR2 PR3 PR4 ⋯ PRn}4Unbekannte :{ X Y Z t }

R1

R2 R3

R4

P=PDOP∗ l

XY

Z

WGS84


GNSS Genauigkeit

P - Standardabw. des 3D-Positionsfehlers

l - Standardabweichung einer Pseudorange

PDOP - Position Dilution Of Precision- Geometriefaktor für die Satelliten–Receiver-Konstellation

- Summe aller Fehler!

P=PDOP∗ l


GNSS Accuracy

● gute Geometrie: PDOP = 2 – 3● gewünschte Positionsgenauigkeit: 2 - 3 cm● erforderliche Genauigkeit der Pseudorange: 1 cm

❐ nur mit Trägerphasen● aber: systematische Fehler!

P=PDOP∗ l


GNSS Fehlerquellen


SatellitenbahnfehlerBroadcast Orbit

Wahrer Orbit

Orbit-FehlerFehler- einfluss

XY

Z

WGS84

B

Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen


Satellitenuhrfehler

Fehler-einfluss

XY

Z

WGS84

S



Ionosphäre

Fehlereinfluss (dispersiv):- Beschleunigung der Trägerphase- Verzögerung der Codephase

XY

Z

WGS84

I



Troposphäre

Fehlereinfluss:- nicht-dispersive Refraktion

XY

Z

WGS84

T



Multipath

XY

Z

WGS84

FehlereinflussSignal-Interferenenz

M



Antennenphasenzentrums-variationnen (PCV)

XY

Z

WGS84

Fehlereinfluss:Offsets und elev./azim. abhängige Variationen

A



Receiveruhrfehler

XY

Z

WGS84

4te Unbekannte t R



Größe der Fehlereinflüsse

Fehlerquelle Absoluter Einfluss

Satellite Orbit 2 ... 50mSatellite Clock 2 ... 100m

0.5 ... >100 m0.01 ... 0.5 mmmm ... cmmm ... cm

IonosphereTroposphereMultipath CodeMultipath PhaseAntenna


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!


Differentielles GNSS


Differentielle („DGNSS“) Positionierung

● Ermittlung aller Fehlereinflüsseauf einer bekannten Station „Korrekturen“

● Übertragung der Korrekturenzum Rover

● Anbringen der Korrekturen reduzierter Fehlereinfluss

● Berechnung der Position– mit Code („DGNSS“) oder – mit Trägerphase („RTK“)


Pseudorange-Korrekturen

R0

SSatellite clockBSatellite orbit

IIonosphereTTroposphere

L=MA

Multipath, Antenna, Noise:

Fehlereinflüsse:

PRC=SBITL

PRgem.=R0SB IT tL

Pseudorange:

PRC=PR−R0− t

Pseudorange-Korrektur:

t Receiver clock

R0 , tReferenzstation =>


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


GNSS-Fehlerquellen

Räumliche Variationen


Hohe räuml. Korrelation

Fehlerquelle Absoluter Einfluss Relativer Einfluss

Satellite Orbit 2 ... 50mSatellite Clock 2 ... 100m

0.5 ... >100 m0.01 ... 0.5 mm mmm ... cm mm ... cmmm ... cm mm ... cm

0.1 ... 2 ppm0.0 ppm

Ionosphere 1 ... 50 ppmTroposphere 0 ... 3 ppmMultipath CodeMultipath PhaseAntenna

Lokal (Kalibrierung)

Größe der Fehlereinflüsse


DGNSS Entfernungsabhängigkeit

PRC

DistanzReferenz Rover

entfernungsabhängige Fehler (mindert Qualität mit zunehmender Entfernung)

Broadcast-Korrektur (pro Satellit)


Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit

Entfernung von Referenzstation

GenauigkeitVerfügbarkei, Zuverlässigkeit

100 %

1 cm


Unvernetzte Referenzstationenbei sehr guten Bedingungen

Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeitgut schlecht


Unvernetzte Referenzstationenbei mittleren Bedingungen



Unvernetzte Referenzstationenbei schlechten Bedingungen




Unvernetzte Referenzstationenbei extrem starker Ionosphäre


Einfaches RTK:RTK Grenze bei einzelner Basistation

PRC

EntfernungReferenz

Broadcast Korrektur

maximal akzeptierterFehler für RTK

RTK Grenze


RTK Netze


Vernetzte Referenzstationen



Vernetzung aus Nutzersicht

cm-Genauigkeit – überall!

● Nutzer im Feld❐ Einweg-Kommunikation ❐ empfängt alle erforderl.

Korrekturen/Referenz- daten

❐ bestimmt absolute RTK-Position

❐ jederzeit/überall● 1 cm Genauigkeit


Entfernungsabhängige Fehler aus RTK-Vernetzung

PRC

DistanzRef 1 Rover Ref 2

„Interpolierter“ Fehlereinfluss


Mehrdeutigkeitsproblematik


Mehrdeutigkeitsniveau

Phasenkorrektur

Distanz

2

Ref1 Rover Ref2

identischeAmbiguity Levels unterschiedlicher

Ambiguity Level


Range Observation

R

Entfernungsmessung Rzu 1 Satelliten

Receiver mussirgendwo auf derKugeloberfläche sein


Geometrischer Ort aus 3D-Entfernungsmessung

R1

R2

Entfernungsmessungzu 2 Satelliten

Receiver mussirgendwo auf demSchnittkreis sein


R

Range Observation


Mehrdeutige Entfernung (Phase)

1 l

1 Satellit


Ambiguity Search2 Satelliten



mehr Satelliten weniger Kandidaten


Ambiguity Search: schwache Genauigkeit

schwache Genauigkeit mehr Kandidaten


Ambiguity Search: systematische Fehler

systematische Fehler falsche Kandidaten


Modellierungder Fehlerquellen


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


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 Trägerphasen-

Genauigkeit● undifferenzierte Mehrdeutigkeitslösung


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)❐ ...


Repräsentation


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)


FKP Repräsentation

Phasenkorrektur

Distanz

Ref 1

1

Rover

M

1

Ref 2

2

FKP

FKP

FKP Repräsentationsfehler


FKP RepräsentationBeispiel GNSMART

● eine FKP-Ebene pro:

❐ Referenzstation(=„Basissignal“)

❐ Signal (Li, L0)

❐ Satelliten

● optional: Polynome höherer Ordnung Λ

ΦPRC


Virtuelle Referenzstation (VRS)

Phasenkorrektur

Distanz

Ref 1

1

Rover

M

Ref 2

2

VRS Repräsentationsfehler

VRS

Ref V

Troposphärisches Model übertragen

Problem: bewegte (virt.) Referenzstation?


Pseudo-Referenzstation (PRS)

Phasenkorrektur

Distanz

Ref 1

1

Rover

M

Ref 2

2

PRS Repräsentationsfehler

PRS

PRS

Distanz: Rover erwartet Restfehler


Ambiguity-freie Phasenkorrektur- Differenzen (RTCM 3.1)

Phasenkorrektur

Distanz

Ref 1

1

Rover

M

1

Ref 2

2

12Cor

Cor Repräsentationsfehler


„reale“ Referenzstation

„sichtbare“ Referenzstation

individualisierte Korrekturenbewegter Rover

Geo++ FKP:

Geo++ PRS:

Geo++ VRS:

„classic“ VRS:

Individualisierte Korrekturdatenmit Geo++ FKP – PRS – VRS


Geo++ GNSMART

... artist's view of Geo++® building in Garbsen

vielen Dank für IhreAufmerksamkeit

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