GPS-Verfahren - Einsatzgebiete ... - HFT Stuttgart
GPS-Verfahren - Einsatzgebiete ... - HFT Stuttgart
GPS-Verfahren - Einsatzgebiete ... - HFT Stuttgart
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Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
<strong>GPS</strong>-<strong>Verfahren</strong> -<br />
<strong>Einsatzgebiete</strong> – Rahmenbedingungen<br />
- Kombinationslösungen<br />
Baden-Württemberg<br />
<strong>GPS</strong> für GIS<br />
im Umweltbereich und Naturschutz<br />
Prof. Dipl.-Ing. Rainer Kettemann<br />
HfT <strong>Stuttgart</strong>, Schellingstraße 24, 70174 <strong>Stuttgart</strong><br />
Tel. 0711/121-2608, Fax 0711/121-2556<br />
Email: Kettemann@fht-stuttgart.de<br />
Landesanstalt für Umweltschutz<br />
Baden-Württemberg
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Einführung – Allgemeines<br />
Verschiedene <strong>GPS</strong>-<strong>Verfahren</strong><br />
Einflussfaktoren – Zielgruppen der Gerätehersteller<br />
Roverkomponenten – Geräteauswahl<br />
Datumsübergang von Satelliten- in Landeskoordinaten<br />
Alternativen und Ergänzungen zu <strong>GPS</strong><br />
Einige Internetadressen<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Inhalte
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Zeitungsausschnitt (Maut)<br />
In einer festen Position<br />
über der Erde verankerte<br />
Satelliten bilden hier den<br />
Mess- und Fixpunkt für<br />
genaue Koordinaten auf<br />
der Erdoberfläche ????
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Drei müssen es sein<br />
??????<br />
Für eine genaue<br />
Ortsbestimmung<br />
benötigt ein Empfänger<br />
mindestens drei<br />
Satelliten. Soll auch die<br />
Höhe ermittelt werden,<br />
so ist ein vierter<br />
erforderlich ????????<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Zeitungsausschnitt (<strong>GPS</strong>-Gerätetest)
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Das Globale Positionierungs-System<br />
(<strong>GPS</strong>)<br />
Definiert für 24 Satelliten<br />
(21 + 3 Reservesatelliten)<br />
am 22. September 2003<br />
28 verfügbare Satelliten
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Lösungsverfahren<br />
<strong>GPS</strong> – Laufzeitmessung<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Das Globale Positionierungs-System<br />
(<strong>GPS</strong>)<br />
D<strong>GPS</strong> – Laufzeitmessung<br />
+ Korrekturdaten<br />
+ Phasenglättung<br />
PD<strong>GPS</strong> – Trägerphasenmessung<br />
100 km<br />
- 20 000 km -
Fachhochschule<br />
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Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
(2. Schnittpunkt - 3D)<br />
Erde<br />
S (für Zeitbestimmung)<br />
3D - <strong>GPS</strong>-Lösung<br />
Antenne<br />
S1<br />
Schnittlinie der<br />
Kugeln 1 und 2<br />
S2<br />
1m == ==0,000000003s<br />
==<br />
3 Nano-Sekunden
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
letzter Abstand vom Geozentrum<br />
wird festgehalten<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Erde<br />
S (für Zeitbestimmung)<br />
2D - <strong>GPS</strong>-Lösung<br />
Antenne<br />
S1<br />
Schnittlinie der<br />
Kugeln 1 und 2<br />
S2<br />
1m == ==0,000000003s<br />
==<br />
3 Nano-Sekunden
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
E r d e<br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
2D - <strong>GPS</strong>-Lösung - Problem<br />
Lageänderung<br />
Höhenänderung<br />
S1<br />
A n te n n e<br />
S2
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<strong>Stuttgart</strong><br />
500 km<br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
20 000 km<br />
5<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
4<br />
5<br />
3<br />
2<br />
k3 Differentielles <strong>GPS</strong><br />
3<br />
1<br />
Mobiler Empfänger<br />
Postprocessing<br />
Telefonleitung<br />
oder Datenträger<br />
k 3<br />
2<br />
Basisstation<br />
1
Fachhochschule<br />
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Hochschule für<br />
Technik<br />
EGNOS<br />
Omnistar<br />
SAPOS<br />
ascos<br />
:<br />
:<br />
5<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
4<br />
Differentielles <strong>GPS</strong> - Anbieter<br />
SAPOS<br />
ascos<br />
ALLNAV . .<br />
3<br />
Postprocessing<br />
Telefonleitung<br />
oder Datenträger<br />
k 3<br />
2<br />
Basisstation<br />
1
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Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Hochpräzises (geodätisches) <strong>GPS</strong><br />
Die Trägerfrequenz wird zur Messung verwendet<br />
≈ 19 cm L1<br />
≈ 24 cm L2<br />
- 20 000 km -<br />
Messgrößen<br />
= unbekannt
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Technik<br />
· Phasenmessung<br />
∆S i = PSR i - PSR i-1<br />
PSR2 = 1/2 (PSR2 + PSR1 + ∆S2)<br />
PSR3 = 1/3 (PSR3 + 2(PSR2 + ∆S3))<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Differentielles <strong>GPS</strong> - Phasenglättung<br />
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Technik<br />
Sky-Plot bei gutem<br />
DOP-Wert<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Qualitätsmaß DOP-Wert<br />
vereinfachte 2D-Darstellung<br />
sehr genau<br />
Satellitengeometrie spiegelt sich wieder in DOP-Werten<br />
DOP = Dilution of Precision; hier gilt: je kleiner desto besser<br />
PDOP, HDOP, VDOP
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Hochschule für<br />
Technik<br />
Sky-Plot bei schlechtem DOP-<br />
Wert, z.B. auf Waldweg<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Qualitätsmaß DOP-Wert<br />
vereinfachte 2D-Darstellung<br />
DOP = 1 / Volumen<br />
hier: großer DOP-Wert<br />
sehr ungenau<br />
Satellitengeometrie spiegelt sich wieder in DOP-Werten<br />
DOP = Dilution of Precision; hier gilt: je kleiner desto besser<br />
PDOP, HDOP, VDOP
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Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Empfangsbedingungen<br />
> 20 m<br />
> 10 m<br />
> 10 m<br />
<strong>GPS</strong><br />
D<strong>GPS</strong><br />
PD<strong>GPS</strong><br />
10-20 m<br />
3 m - 0,3 m<br />
< 0,05 m
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Technik<br />
Signalqualität<br />
- Rauschen<br />
SNR=signal to noise ratio<br />
- Reflektionen<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Reflektionen<br />
vereinfachte 2D-Darstellung
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Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Trotz ausreichend<br />
vieler Satelliten keine<br />
brauchbare Position<br />
Empfangsbedingungen<br />
<strong>GPS</strong>-Empfang in Gebäuden
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Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Auswertestrategien<br />
Hauptsache Koordinaten Wanderer, Radler, Autofahrer, . .<br />
. .<br />
Vorsicht: Durch die Filterung passen<br />
unmittelbar aufeinander folgende<br />
Messungen immer gut zusammen<br />
Bei Anwendern, die in Bewegung<br />
sind, wechseln die<br />
Randbedingungen ständig. Es<br />
werden alle „auswertbaren“<br />
Signale verwendet.<br />
Alte (zurückliegende) Positionen<br />
werden als gleichförmige<br />
Bewegung fortgeschrieben und<br />
mit neuen verrechnet (Kalman-<br />
Filterung)
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Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Auswertestrategien<br />
definierbare Qualität GIS-Anwender brauchen i.d.R.<br />
zuverlässige Koordinaten!<br />
Das typische Spurbild ist<br />
immer vorhanden. Der<br />
Schwankungsbereich ist<br />
aber viel kleiner<br />
Im Empfänger kann gesteuert werden,<br />
was beim Unterschreiten vorgegebner<br />
Qualitätsmerkmale geschieht:<br />
Abbruch oder wenigstens Warnung<br />
DOP – Schranken ( PDOP < 4)<br />
SNR – Schranken ( SNR > 6)<br />
minimaler Elevationswinkel (>10°)<br />
EPE = Estimated Position Error = ???<br />
Dynamik<br />
Korrekturdatenalter (seit 2000 unbedeutend)
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Technik<br />
Basisstation<br />
Korrekturdatenempfänger<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
bei EGNOS im <strong>GPS</strong>-<br />
Empfänger integriert<br />
RTCM<br />
<strong>GPS</strong>-Empfänger<br />
Signalverarbeitung<br />
Kommunikation<br />
mit Korrekturdatenempfänger<br />
und<br />
Controller<br />
Berechnung von<br />
Positionen<br />
(ggf. korrigiert)<br />
Stromversorgung<br />
Roverkomponenten<br />
Konfiguration<br />
Koordinaten<br />
NMEA / TSIP<br />
qualitäts- und<br />
preisbestimmende<br />
Faktoren<br />
Display<br />
und<br />
Eingabe<br />
Controller und<br />
Datenspeicher<br />
Extern-Sensoren<br />
Schadstoff-<br />
Messgeräte<br />
Geigerzähler<br />
Thermometer<br />
. . . . .<br />
Laserentfernungsmesser<br />
und elektr.<br />
Kompass<br />
Neigungsmesser<br />
Verbindungen: seriell, USB, bluetooth
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Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Roverkomponenten und<br />
Positionsqualität
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Technik<br />
<strong>GPS</strong>-Navigation<br />
Laufzeitmessung<br />
D<strong>GPS</strong>-Navigation<br />
Laufzeitmessung<br />
ggf. mit Phasenglättung<br />
Geodätisches <strong>GPS</strong><br />
Phasenmessung<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Messverfahren und Genauigkeiten<br />
Genauigkeit<br />
σ(95%) σ(95%)= σ(95%)<br />
[m]<br />
Systempreis<br />
Euro<br />
ca. 10 m
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Technik<br />
GIS-Objekte<br />
Basisdaten<br />
Festpunkte<br />
Eigentumsgrenzen<br />
:<br />
Leitungskataster<br />
Gas, Wasser, Strom<br />
Pegel<br />
:<br />
Sonst. Anwendungen<br />
Land-, Forstwirtschaft<br />
:<br />
Umwelt-, Artenschutz<br />
:<br />
Verkehr<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
<strong>Einsatzgebiete</strong> - <strong>Verfahren</strong><br />
Genauigkeit<br />
cm<br />
dm<br />
m<br />
Eigentumssicherung<br />
10m<br />
Dokumentation<br />
von Objekten<br />
Wiederfinden<br />
von Objekten<br />
<strong>GPS</strong>-<strong>Verfahren</strong><br />
Differentielle<br />
Phasenmessung<br />
Differentielle<br />
Laufzeitmessung<br />
ggf. mit<br />
Phasenglättung<br />
Echtzeitanwendung<br />
=> Korrekturdatendienst erforderlich!<br />
KfZ-Navigation<br />
Flottenmanagement<br />
stand-alone<br />
Lösungen
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Hochschule für<br />
Technik<br />
Feste Objekte<br />
bei Ersterfassung möglichst genau<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Auswahl des <strong>GPS</strong>-<strong>Verfahren</strong>s<br />
Pegel Höhe<br />
betroffenes Grundstück<br />
Einleiter betroffenes Grundstück<br />
. . . . .<br />
Wiederfinden ist mit einfachen Gräten möglich.<br />
Spezialisten<br />
einschalten oder<br />
PD<strong>GPS</strong>- (D<strong>GPS</strong>-)<br />
Ausrüstung leihen<br />
Sonstige Objekte - Toleranzgrenze bei eigenverantwortlicher<br />
Tätigkeit nicht zu hoch setzen sondern an den tatsächlichen<br />
Erfordernissen orientieren!
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Arbeitsplanung<br />
In freiem Gelände kann sind immer mindestens 4 Satelliten verfügbar.<br />
Manchmal hilft ein Schritt zur Seite.<br />
Bei Arbeiten in<br />
kritischen<br />
Bereichen:<br />
Aktive<br />
Pausenplanung<br />
mittels<br />
Almanach aus<br />
dem Internet<br />
Arbeiten Arbeiten<br />
Beispiel: Leica-Satellitenverfügbarkeit - Kostenloses Programm im Internet
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Geoid<br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Ellipsoide:<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Geographische Koordinaten<br />
global gelagert<br />
Bl<br />
Punkt auf Erde<br />
Bg<br />
lokal gelagert
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<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Abweichungen zwischen<br />
DHDN und ETRS 89<br />
1<br />
3 lokale 7 PT (DX, DY, DZ, RX, RY, RZ, m) z. B. BW_9Grad<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
2<br />
Datumsübergang - schematisch<br />
1 reine großräumige Translation (DX, DY, DZ)<br />
2 großräumige 7 PT (DX, DY, DZ, RX, RY, RZ, m)<br />
3<br />
Schnittlinie durch Deutschland<br />
4<br />
ETRS 89 - DHDN<br />
4 lokale 7 PT (DX, DY, DZ, RX, RY, RZ, m) z. B. BY_12Grad
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Projektionsdatei<br />
beschreibt das<br />
Bezugssystem der<br />
Shape-Daten<br />
Datumsübergang bei ArcPad<br />
Daten des Stadtmessungsamts<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Im Shape-File sind Gauß-Krüger-<br />
Koordinaten physikalisch gespeichert<br />
<strong>GPS</strong>-Datum beschreibt<br />
das Bezugssystem der<br />
vom Empfänger<br />
ausgeg. Koordinaten<br />
Koordinaten vom<br />
Empfänger werden<br />
„on the fly“ in das<br />
Bezugssystem des<br />
Projektes<br />
umgerechnet
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Projektionsdatei<br />
beschreibt das<br />
Bezugssystem der<br />
Shape-Daten<br />
Datumsübergang bei ArcPad<br />
Daten des Stadtmessungsamts<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
<strong>GPS</strong>-Datum beschreibt das<br />
Bezugssystem der vom<br />
Empfänger ausgeg. Koordinaten<br />
BW_9Grad.PRJ Projektionsdatei langschriftlich<br />
PROJCS["BW_9Grad",GEOGCS["GCS_BW_Ref",DATUM["D_BW_9_CF",SPHEROID["Bessel_1841",6377397.155,299.1528128]], _<br />
PRIMEM["Greenwich",0],UNIT["Degree",0.017453292519943295]],PROJECTION["Transverse_Mercator"], _<br />
PARAMETER["False_Easting",3500000],PARAMETER["False_Northing",0],PARAMETER["Central_Meridian",9], _<br />
PARAMETER["Scale_Factor",1],PARAMETER["Latitude_Of_Origin",0],UNIT["Meter",1]]<br />
apDatums.dbf<br />
DATUM DATUM SPHERSPHEROID A INVERSE_F GEOGT METHOMETHOD DX DY DZ RX RY RZ DS<br />
9001 D_DHDN 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 8233 9603 Geocentric_Translation 587,000 16,000 393,000<br />
6314 D_Deutsche_Ha 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 8233 9607 Coordinate_Frame 582,000 105,000 414,000 -1,040000 -0,350000 3,080000 8,30000<br />
6258 D_ETRF_1989 7030 WGS_1984 6378137,000 298,257223563 8049 9606 Position_Vector 0,000 0,000 0,000 0,000000 0,000000 0,000000 0,00000<br />
706314 D_BW_9_CF 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 208233 9607 Coordinate_Frame 518,193 43,581 466,142 -0,315523 -3,177559 0,911038 9,21092<br />
816314 D_BY_12_CF 7004 Bessel_1841 6377397,155 299,152812800 208233 9607 Coordinate_Frame 520,098 73,344 503,702 -0,426951 -3,838057 2,075567 3,92077
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
9°<br />
DX = -518,193m rot X = 0.315523 ´´<br />
DY = -43,581m rot Y = 3,177559 ´´<br />
DZ = -466,142m rot Z = -0,911038 ´´<br />
m = -9,211312 ppm ohne Geoidmodell<br />
Datumsübergänge für Bayern und<br />
Baden-Württemberg<br />
r = 20 cm<br />
sP = 18 cm<br />
sH = 60 cm<br />
Coburg<br />
Nürnberg<br />
München<br />
12°<br />
DX = -520,098m<br />
DY = -73,344m<br />
DZ = -503,702m<br />
m = -3,920772 ppm<br />
r = 20 cm<br />
s0 = 16 cm<br />
sH = 80 cm<br />
Wettzell<br />
Asten<br />
Roßfeld<br />
rot X = 0.426951 ´´<br />
rot Y = 3,838057 ´´<br />
rot Z = -2,075567 ´´
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Alternativen und Ergänzungen zu <strong>GPS</strong><br />
Unhealth Satellites<br />
2002<br />
GLONASS<br />
20. September 2003<br />
8 Satelliten
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Alternativen und Ergänzungen zu <strong>GPS</strong><br />
Optimale Überlagerung<br />
Quelle: TOPCON<br />
GLONASS
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Alternativen und Ergänzungen zu <strong>GPS</strong><br />
GNSS (Global Navigation Satellite System)<br />
GNSS-1 EGNOS (European<br />
Geostationary Navigation<br />
Overlay Service)<br />
ab 2003<br />
AOR-E PRN 120 (33)<br />
IOR PRN 131 (44)<br />
Artemis PRN 124 (??)<br />
(Garmin Alias)<br />
GNSS-2 Galileo - 30 <strong>GPS</strong>-kompatible Satelliten<br />
ab 2005 erste Satelliten,<br />
ab 2008 voll betriebsfähig
Fachhochschule<br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Hochschule für<br />
Technik<br />
http://gibs.leipzig.ifag.de<br />
www.allnav.ch/wgps.htm<br />
http://home.t-online.de/home/bgalitzki/<br />
Vermessung und Geoinformatik<br />
Literatur – eine Auswahl von URLs<br />
http://europa.eu.int/comm/<br />
energy_transport/en/<br />
gal_en.html<br />
Danke für´s Zuhören<br />
Fragen zu einem <strong>GPS</strong>-Intensiv-Seminar<br />
im Teilnehmerverzeichnis<br />
http://www.sapos.de<br />
www.lv-bw.de/lvshop2/ProduktInfo/sapos/sapos_allg.htm<br />
http://ascos.ruhrgas.de/
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