GNSS-Empfänger
GNSS-Empfänger
RTK, PPP und autonom
Lasst uns über die verschiedenen Arten von Positionierungslösungen sprechen. RTK– Echtzeitkinematik ( RTK-Technologie ) . Dies ist ein relatives Verfahren, das nicht Koordinaten, sondern Entfernungen relativ zu einer Basisstation misst. Diese Basisstation ist ein Empfänger an einem Punkt mit bekannten Koordinaten, der Messwerte („Korrekturen“) sendet. Daher ist dieses Verfahren streng nicht autonom; die Korrekturen werden über das Internet oder Funkkanäle übertragen. Die Genauigkeit liegt zwischen 4 und 25 mm CEP50 + 0,5 bis 1 mm pro Kilometer Entfernung zur Basisstation. Es gibt zwei Hauptvarianten: Die Einzelfrequenz-RTK-Technologie ist auf Gebiete mit identischer Ionosphäre und Troposphäre beschränkt, d. h. auf einen Radius von bis zu 10–20 km um die Basisstation. Beispiel: NEO-M8P . Die Zweifrequenz-RTK-Technologie ist auf Gebiete mit derselben Troposphäre beschränkt, d. h. auf einen Radius von bis zu 70–100 km um die Basisstation. Beispiel: ZED-F9P . Autonom. Dies bedeutet eine Lösung, die ausschließlich auf GNSS-Satellitendaten basiert. Sie wird als autonom bezeichnet, da der Empfänger diese Entscheidung selbstständig, ohne externe Korrekturen, trifft. Die einfachste Lösung ist die autonome Einfrequenzlösung. Ihre Genauigkeit beträgt etwa 2,5–3 Meter CEP50. Als Nächstes folgt die autonome Zweifrequenzlösung. Der Zweifrequenzempfänger eliminiert ionosphärische Störungen selbstständig. Die typische Genauigkeit liegt bei 1,2–1,5 Metern CEP50. Differenzmessung. Man nimmt einen Empfänger, platziert ihn an einem Punkt mit bekannten Koordinaten und ermittelt die Differenz zwischen dem theoretisch erwarteten und dem tatsächlich empfangenen Signal. Diese Differenz nennen wir Korrektur und senden sie aus. SBAS – Satellitenbasierte Ergänzungssysteme . Dabei werden Korrekturen von geostationären Satelliten auf der L1-Frequenz gesendet und von jedem GNSS-Empfänger empfangen. Die Genauigkeit beträgt etwa 1,5 Meter CEP50. SBAS-Satelliten über Europa werden als EGNOS bezeichnet (über den USA: WAAS, über Japan: MSAS, über Indien: GAGAN, über China: BDSBAS, über Australien: SoufPan, über Russland: SDKM). Der Nachteil besteht darin, dass die meisten SBAS-Systeme Korrekturen nur für GPS senden, während lediglich das russische SDKM-System Korrekturen für GPS und GLONASS sendet. SLAS – Submeter Level Augmentation Service . Dieses japanische System mit kleinem Abdeckungsbereich (nur Japan) ist daher sehr genau und erreicht einen CEP50-Wert von 30 bis 70 cm. SLAS unterstützt alle Systeme, sendet derzeit aber nur Korrekturen für GPS und QZSS. Die Korrekturen werden von QZSS-Satelliten auf der L1-Frequenz übertragen und können daher von vielen Empfängern mit QZSS-Unterstützung, wie z. B. dem ZED-F9P, empfangen werden. GBAS und GRAS sind ausschließlich für die Luftfahrt vorgesehen, wobei Korrekturen über VHF übertragen werden. Die horizontale Genauigkeit von GBAS beträgt mindestens 16 Meter CEP95, was 7,7 Metern CEP50 entspricht. Die Anforderungen an GRAS sind noch geringer, mit einer Reichweite von 2 Meilen in der Höhe. Dies ist ein Überbleibsel aus der Zeit vor 30 Jahren, der Ära der selektiven Zugriffskontrolle, als zivile Empfänger keine genaueren Lösungen als einige hundert Meter erreichen konnten. Damals wurden GPS und GLONASS verwendet. DGNSS ist ein maritimes System, das über Mittelwellenfunk sendet. Es verwendet einen separaten Empfänger und eine separate oder kombinierte Antenne. Erstaunlicherweise kann fast jeder Empfänger mit solchen Korrekturen arbeiten. Die Genauigkeit beträgt bis zu 1 Meter CEP50. Es ist in Küstengebieten verfügbar und nutzt GPS und GLONASS. Obwohl das System für die Schifffahrt konzipiert ist, findet es auch in anderen Bereichen Anwendung. In Australien beispielsweise ist der schnellste Rettungsdienst ein Flugzeug des RFDS (Royal Flying Doctor Service). Viele abgelegene Bauernhöfe verfügen über eine gut ausgebaute Straße und einen GNSS-Empfänger mit DGNSS-Sender. Wird ein Arzt benötigt, wird der Empfänger eingeschaltet, sendet Korrekturen an das Flugzeug, und ein Leichtflugzeug landet direkt auf der Straße. Interessanterweise werden viele GNSS-Innovationen zuerst in Australien umgesetzt. StarFire ist ein kommerzielles Korrektursystem von John Deere, das von Satelliten im L-Band ausgestrahlt wird. Die Genauigkeit liegt bei etwa 5 cm CEP50 für Zweifrequenzempfänger mit GPS- und GLONASS-Systemen. Die Genauigkeit dieses Systems beruht darauf, dass ein Zweifrequenzempfänger ionosphärische Fehler kompensiert, während die übertragenen Korrekturen andere Verzerrungen (Bahnfehler, Taktfehler, Code-Bias) ausgleichen. StarFix, OmniStar, Atlas – andere Systeme kommerzieller Bildkorrekturen, die von Satelliten ausgestrahlt werden. PPP – Präzisionspunktpositionierung. Eine Reihe von Verfahren zur genauen Positionsbestimmung durch globale Korrekturen, die über das Internet oder einen Satelliten übertragen werden. Fast alle PPP-Varianten benötigen einen Zweifrequenzempfänger. Die Genauigkeit liegt zwischen 5 und 50 cm CEP50, die Konvergenzzeiten zwischen 10 und 30 Minuten. Für Kenner des Fachgebiets besteht ein entscheidender Unterschied zwischen PPP und anderen Methoden: PPP-Korrekturen sind nicht nur einfache Pseudostreckenkorrekturen, sondern haben eine physikalische Bedeutung, beispielsweise Korrekturen der Satellitenposition im Orbit, der Satellitenuhren und der relativen Signalverzögerungen verschiedener Antennen. Da diese Korrekturen eine physikalische Bedeutung haben, sind sie für jeden Punkt auf der Erde gleich. Dies wird als Zustandsraumdarstellung (SSR) bezeichnet. PPP-Lösungen lassen sich sowohl aus PPP-AR- als auch aus PPP-RTK-Korrekturen gewinnen. SouthPAN PVS – Australien ist wie üblich Vorreiter. SouthPAN ist ein australisches SBAS-System, und PVS (PPP via SouthPAN) ist ein Dienst zur Übertragung von Korrekturen auf der L5-Frequenz von SouthPAN-Satelliten. Die Genauigkeit beträgt horizontal weniger als 40 cm CEP50 und vertikal bis zu 55 cm CEP50. Es werden GPS- und GALILEO-Systeme verwendet. Der Dienst ist sehr neu und wurde am 26. September 2022 gestartet (derzeit im experimentellen Betrieb). Die Lösungsverbesserungszeit wird auf bis zu 80 Minuten geschätzt, d. h. die Lösungsqualität verbessert sich innerhalb von 80 Minuten nach dem Start. Es ist sehr wahrscheinlich, dass dieses System direkt von Empfängern genutzt wird und Europa und die USA ihre entsprechenden Systeme starten werden. Darüber hinaus hat PVS die Chance, ein ICAO-Standard zu werden. BEIDOU PPP-B2b. Dies ist die Übertragung von PPP-Korrekturen auf der B2b-Frequenz von drei geostationären Beidou-Satelliten. Unterstützt werden die Systeme GPS, GALILEO, GLONASS und BEIDOU. Die Genauigkeit beträgt 10 cm CEP50 bei einer Konvergenzzeit von 20 Minuten. Das Abdeckungsgebiet ist der asiatisch-pazifische Raum. PPP-AR – PPP mit Phasenmehrdeutigkeitsauflösung. Zusätzlich zum Standard-PPP-Korrektursatz werden Phasenkorrekturen und VTEC (Vertikaler Gesamtelektroneninhalt) für Einzelfrequenzmessungen hinzugefügt. Dies verbessert die Genauigkeit auf 2–15 cm CEP50 und reduziert die Konvergenzzeit auf 3–15 Minuten. RTCM3 SSR und IGS SSR sind zwei ähnliche, aber leicht unterschiedliche Formate zur Übertragung von PPP-AR-Korrekturen über das Internet. Die PPP-AR-Berechnung erfolgt üblicherweise nicht im Empfänger selbst, sondern durch einen separaten Prozessor. Alle Satellitensysteme werden unterstützt. Zukünftig sollen die Formate auf die Übertragung von PPP-RTK-Korrekturen erweitert werden. Da es sich um offene Standards handelt, hängen die Eigenschaften von den jeweiligen Korrekturquellen ab. MADOCA-PPP – Multi-GNSS Advanced Orbit and Clock Augmentation – Präzise Punktpositionierung. Die beiden rein japanischen Systeme (SLAS und CLAS) reichten den japanischen Anforderungen offensichtlich nicht aus. Daher begannen sie am 30. September 2022 mit dem Test eines weiteren PPP-AR-Systems namens MADOCA, dessen Signal ebenfalls auf L6 von QZSS-Satelliten übertragen wird. Aktuell werden Korrekturen für GPS, QZSS, GLONASS und GALILEO bereitgestellt; die Unterstützung für BEIDOU wird später erwartet. Im Gegensatz zu SLAS und CLAS ist MADOCA ein globales System für die gesamte Asien-Pazifik-Region und überall dort verfügbar, wo QZSS-Satelliten empfangen werden können. Die Genauigkeit liegt derzeit bei unter 15 cm CEP50 mit einer Konvergenzzeit von 30 Minuten; eine Verbesserung auf 10 Minuten ist geplant. GALILEO HAS – High Accuracy Service. Dies ist ein globales, in Europa entwickeltes PPP-AR-System, das 2024 für Europa auf PPP-RTK erweitert werden soll. Die Übertragung erfolgt über GALILEO-Satelliten auf der Frequenz E6, und es werden Korrekturen für GPS- und GALILEO-Satelliten bereitgestellt. Die Genauigkeit beträgt 10 cm CEP50, die Konvergenzzeit liegt global bei 5 Minuten und wird zukünftig im PPP-RTK-Modus in Europa auf 100 Sekunden sinken. SVO EVI – System zur hochpräzisen Bestimmung von Ephemeriden-Zeit-Informationen. Dies ist ein zukünftiges russisches PPP-AR-System mit Übertragung auf dem Lagrange-Punkt L3 von geostationären Luch-Satelliten. Es war für 2025 geplant, die Aussichten sind jedoch sehr unsicher. Die erreichte Genauigkeit beträgt 30 cm CEP50, eine Verbesserung auf 10 cm ist geplant. Fugro Starfix G4 – Ein globaler, kommerzieller PPP-AR-Dienst, der von Fugro-Empfängern unterstützt wird. Die Übertragung erfolgt über geostationäre Satelliten, und Korrekturen werden für alle Systeme bereitgestellt. Die Genauigkeit beträgt 5 cm CEP50. PPP-RTK – dies ist PPP mit einer Genauigkeit nahe an RTK. Um dies zu erreichen, werden Troposphärendaten (ZTD – Zenith Tropospheric Delay) und ein genaueres Ionosphärenmodell STEC (Slant Total Electron Content) zu PPP-AR hinzugefügt. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit auf 1–6 cm CEP50, und die Konvergenzzeit sinkt auf 1 Minute. PointPerfect bietet kostenpflichtige (d. h. kodierte) PPP-RTK-Korrekturen von geostationären Satelliten über das Internet im SPARTN-Format. Die Genauigkeit beträgt 2,5–5 cm CEP50. Der Service ist in Europa, den USA, Südkorea und Australien verfügbar. PointPerfect kann als autonome Lösung ohne Internetverbindung genutzt werden und ist in den sofort einsatzbereiten Empfängern ZED-F9P und ZED-F9R (sowie einem Korrekturempfänger NEO-D9S) implementiert. Für den Empfänger werden zwei Chips und zwei Antennen benötigt (die zweite für die Korrekturen). Der Satellitenwinkel über dem Horizont ist für Nordeuropa relativ gering. GPS, GALILEO und GLONASS werden unterstützt, BEIDOU jedoch nicht. CLAS – Centimeter Level Augmentation Service. Ein weiteres japanisches System, das ebenfalls Signale von QZSS-Satelliten sendet, jedoch im Gegensatz zu SLAS eine Genauigkeit im Zentimeterbereich bietet und auf der L6-Frequenz statt L1 sendet. Die Genauigkeit liegt zwischen 1 und 4 cm CEP50, alle Systeme werden unterstützt und das Abdeckungsgebiet umfasst Japan. Es ist auch in ZED-F9P-Empfängern implementiert, benötigt jedoch zusätzlich einen NEO-D9C-Empfänger. KPS-CLS – Koreanisches Positionierungssystem – Zentimetergenauer Dienst. Ein südkoreanisches System, ähnlich CLAS, aber speziell für Südkorea entwickelt. Der Start ist für 2029 geplant. Hexagon TerraStar C Pro – Ein globaler kommerzieller Dienst, der von Novatel-Empfängern unterstützt wird. Die Übertragung erfolgt über geostationäre Satelliten, und Korrekturen werden für alle Systeme bereitgestellt. Die Genauigkeit beträgt 1,5 cm CEP50 bei einer Konvergenzzeit von 3 Minuten. Trimble CenterPoint RTX – Ein globaler, kommerzieller PPP-AR-Dienst, der in den USA, Kanada und Europa auch im PPP-RTK-Modus betrieben werden kann. Unterstützt von Trimble-Empfängern, erfolgt die Übertragung über geostationäre Satelliten, und Korrekturen werden für alle Systeme bereitgestellt. Die Genauigkeit beträgt 2 cm CEP50, die Konvergenzzeit liegt global bei 3–5 Minuten und in Regionen mit PPP-RTK-Unterstützung bei 1 Minute. Swift Navigation Skylark – Ein kommerzieller Dienst mit ausschließlicher Übertragung über das Internet. Unterstützt von Swift-Empfängern, deckt der Dienst die USA, Europa, Südkorea, Japan und Australien ab. Er unterstützt die Systeme GPS, GALILEO und BEIDOU. Die Genauigkeit beträgt 4 cm CEP50, die Konvergenzzeit auf 25 cm 5 Sekunden. © Eltehs SIA 2023
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Stabilität und Genauigkeit
Es ist an der Zeit, über die Genauigkeit von Positionierungslösungen und deren Messung zu sprechen. Am besten trägt man alle Messergebnisse in eine Karte ein und markiert einen Kreis, in dem ein bestimmter Anteil dieser Messwerte liegt. Je nach gewähltem Anteil werden unterschiedliche Bezeichnungen verwendet. Liegt beispielsweise ein Kreis innerhalb von 50 % der Punkte, spricht man von CEP (Circular Error Probable) oder CEP50. Im Gegensatz zu Messzeiten lässt sich zwischen kurzfristiger Stabilität (wie eng die Punkte innerhalb von 3, 5, 10 oder 30 Minuten beieinander liegen) und langfristiger Stabilität unterscheiden. Satelliten umkreisen die Erde in etwa 11 Stunden und 56 Minuten, danach wiederholen sich die Bedingungen. Die langfristige Stabilität wird üblicherweise über 24 Stunden oder zwei Erdumläufe gemessen. Misst man sehr stabile Lösungen über einige Stunden, kann man auf Gezeiten der festen Erde stoßen, die die Höhe um bis zu 30 Zentimeter und die horizontale Ausdehnung um bis zu 5 Zentimeter beeinflussen können. Bei Messungen über ein Jahr oder länger (und mit hoher Genauigkeit) lassen sich sogar die Kontinentaldrift (oder die Bewegung tektonischer Platten) und das langsame Abrutschen von Gebirgen ins Meer nachweisen. Diese Veränderungen betreffen zwar nur Millimeter und Zentimeter, sind aber messbar. Wenn Ihnen also sehr genaue Koordinaten (millimetergenau) vorliegen, fragen Sie nach dem Zeitpunkt und der Mondphase der Messung. Es ist wichtig, zwischen Stabilität und Genauigkeit einer Lösung zu unterscheiden. Stabilität bezieht sich auf die Größe des Kreises, in den die meisten Lösungen passen. Genauigkeit hingegen ist der Abstand vom Mittelpunkt dieses Kreises zu den wahren Koordinaten. In urbanen Schluchten kann die Genauigkeit mitunter wichtiger sein als die Stabilität. Stellen Sie sich ein hohes, massives Betongebäude im Norden vor, ähnlich der Chinesischen Mauer, dessen Dach einen Winkel von etwa 80 Grad zum Horizont bildet. Im Süden befindet sich ein kleineres Gebäude mit einem Winkel von 40 Grad zum Dach. Aufgrund der Blockierung durch das Gebäude können Sie keine Signale von nördlichen Satelliten empfangen. Auch Signale von südlichen Satelliten werden nicht direkt empfangen, jedoch können Sie deren vom nördlichen Gebäude reflektierte Signale empfangen. Dadurch legen die Signale der südlichen Satelliten einen längeren Weg zurück, was zu einer Verschiebung der Positionsbestimmung nach Norden führt. Stabilität und Genauigkeit hängen maßgeblich vom Parameter „Elevationsmaskierungswinkel“ ab, der den Empfang von Satelliten mit niedriger Elevation einschränkt. Einerseits liefern Satelliten mit niedriger Elevation mehr Koordinateninformationen (während Satelliten mit hoher Elevation mehr Höhen- und Zeitinformationen liefern). Andererseits sind die Signale von Satelliten mit niedriger Elevation aufgrund der Troposphäre verrauscht, und es werden häufig nicht nur direkte, sondern auch reflektierte Signale empfangen. Der Maskenwinkel variiert je nach Bedingungen zwischen 5 und 15 Grad oder mehr, und für Zeitmesslösungen wird ein noch höherer Wert von bis zu 20–30 Grad empfohlen. Die bisher besprochenen Punkte beziehen sich auf nachträgliche (aposteriori) Auswertungen. Die vom Empfänger als Lösungsmerkmale gelieferten Informationen sind Vorinformationen (apriori). Diese werden aus den Restabweichungen in der Matrix berechnet. Anders ausgedrückt: Die Lösung wird mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt, und die Abweichungen der Messungen einzelner Satelliten von der durchschnittlichen Lösung werden in einen Genauigkeitsparameter umgerechnet. © Eltehs SIA 2023
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