Qualitätsparameter in GNSS-Permanentnetzen Einblick in den regionalen Positionierungsdienst
Gregor Möller
Technische Universität Wien Department für Geodäsie und Geoinformation
Gußhausstraße 27 – 29, 1040 Wien [email protected]
Steyr, 27. April 2013
2
Überblick
1. Satellitengestützte Positionierung
2. Status und Modernisierung / GPS, GLONASS, Galileo & Beidou
3. Relative Positionierung
4. GNSS-Permanentnetze
5. Qualitätsanalyse am Beispiele EPOSA
6. Ausblick
3
Satellitengestützte Positionierung
Satellitengestützte Positionierung
4
Prinzip
Ionosphäre
Troposphäre
Satellitengestützte Positionierung
[Weber, Satellitennavigationsdienste, 2011]
5
Überblick GNSS
[Gruber, Munich Satellite Navigation Summit 2012]
Satellitengestützte Positionierung
6
Überblick GNSS
Merkmal GPS GLONASS Galileo BeiDou
# Satelliten 21 +3 21 +3 27 +3 30
# Bahnebenen 6 3 3 3
Große Halbachse 26600 km 25440 km 29900 km 27900 km
Umlaufzeit 11:58 H 11:15 H 14:05 H 12:35 H
Inklination 55 deg 64 deg 56 deg 55 deg
Satellitenmasse 1100 kg (IIR) 1400 kg 700 kg 2200 kg
Satellitengestützte Positionierung
7
Status und Modernisierung
Status und Modernisierung
8
GPS - Konstellation
Status und Modernisierung
[Stand 26.04.2013]
Besteht aus 30 aktiven Satelliten
• 8 GPS IIA
• 12 GPS IIR
• 7 GPS IIR-M
• 3 GPS IIF (von 10)
Geplante Starts:
GPS IIF-4 am 15. Mai 2013 und
GPS III Anfang 2014
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GPS - Kontrollsegment
Status und Modernisierung
• Globale Kontrollstationen
• Referenzsystem WGS84
• Selective Availability: JA/NEIN
• Anti Spoofing: JA
[GPS.gov, 04/2013]
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GPS - Modernisierung
Status und Modernisierung
[Devin O‘Dowd, IGS workshop 2012]
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GLONASS
Status und Modernisierung
[Revnivy, Munich Satellite Navigation Summit 2012]
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GLONASS - Konstellation
Status und Modernisierung
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GLONASS - Kontrollsegment
Status und Modernisierung
• Regionale Kontrollstationen
• Referenzsystem PZ-90-2
• Selective Availability: no
• Anti Spoofing: no
14 Status und Modernisierung
[Revnivy, Munich Satellite Navigation Summit 2012]
GLONASS - Modernisierung
Geplante Starts: GLONASS-M bis 2014, GLONASS-K ab 2015
24 CDMA Satelliten bis 2020
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Galileo - Konstellation
Status und Modernisierung
21. Oktober 2011, Start der ersten zwei IOV Satelliten vom europ.Weltraumbahnhof in Korou, Franz. Guayana 12. Oktober 2012, Start der nächsten zwei IOV Satelliten 17. Januar 2013, E11 und E12 senden Navigationsnachricht 12. März 2013, erste GALILEO Position
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Galileo - Kontrollsegment
Status und Modernisierung
[HAYES, ICG Beijing 2012]
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Galileo - Signalstruktur
Status und Modernisierung
[Hein et al., 2002]
18 Status und Modernisierung
Galileo - Aufbauplan
[HAYES, ICG Beijing 2012]
19 Status und Modernisierung
Galileo - Services
[HAYES, ICG Beijing 2012]
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BeiDou - Konstellation
Status und Modernisierung
Besteht aktuell aus 15 aktiven Satelliten
• 5 (5) GEO + 1 Reserve
• 5 (3) IGSO, 5 (27) MEO
[Lina He et al., 2013]
Genauigkeit des regionalen Dienstes
• 25 m horizontal, 30 m vertikal
• 0.4 m/s Geschwindigkeit
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BeiDou - Signalstruktur
Status und Modernisierung
• Analog zu Galileo: E1, E2, E5B und E6
22 Status und Modernisierung
BeiDou - Aufbauplan
[NN, ICG Beijing 2012]
23 Status und Modernisierung
Überblick Beobachtungsdaten - Heute
[NN, ICG Beijing 2012]
24 Status und Modernisierung
Überblick Beobachtungsdaten - Ausblick
[NN, ICG Beijing 2012]
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Relative Positionierung
Relative Positionierung
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GNSS-Beobachtungsgleichungen
Codemessungen
• Beobachtungen zu mind. 4 Satelliten
• Messung der Laufzeit des Signals
• m-genaue Positionierung
Phasenmessungen
• Trägerphasenmessung (L1 / L2)
• Festsetzung der Mehrdeutigkeiten
• Voraussetzug: bestmögliche Eliminierung von
• mm-genaue Positionierung
SiR
SR
SR
SiR ttcP ,, )( ερ +∆−∆⋅+=
SiR
SiRi
SR
SR
SiR NttcL ,,, )( ελρ +⋅+∆−∆⋅+=
Signalslten ausgestrah des Frequenz ilüsseFehlereinf
keitstermMehrdeutig
uhrfehlerSatelliten tc
hrfehlerEmpfängeru tcEmpfänger undSatellit zw. Distanz hegeometrisc
achtungPhasenbeob und -Code gemessene ,
SiR,
,i
SR
SR
,
ε
λ
ρ
SiR
SiR
N
LP
⋅
∆⋅
∆⋅
SiR,ε
Relative Positionierung
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Systematische Fehlereinflüsse
Stations- und Entfernungsabhängige Fehler
Sonstige Fehlereinflüsse / Satellitengeometrie
• relativistische Effekte, Phasensprünge, Abschattungen, DOP
Fehler absolut / relativ
Ionosphäre 0.5..100 m 0.1..50 ppm
Troposphäre 0.01..0.5 m 0.1..3 ppm
Satellitenbahn (Broadcast) 1..2 m 0.1 ppm
Satellitenuhr (Broadcast) 1..2 m 0 ppm
Multipath Code / Phase dm..m / mm..cm
Antennenphasenzentrum mm..cm
Messrauschen Code / Phase dm..m / mm..cm
Entfernungs-abhängige Fehler
Stations-abhängige Fehler
Relative Positionierung
28
Relative Positionierung
• Prinzip: gleichzeitige Beobachtung auf mindestens zwei Stationen
• dadurch kann der Einfluss der zeitabhängigen Fehler reduziert / eliminiert werden
• bilden von Differenzen zwischen simultanen Beobachtungen
Einfachdifferenz (2 Stationen, 1 Satellit) Doppeldifferenz (2 Stationen, 2 Satelliten)
Satellitenuhrfehler fällt heraus Satelliten- und Empfängeruhrfehler
fallen heraus
• atmosphärische Fehler werden stark reduziert, da Satellitensignale identische
Teile der Atmosphäre durchlaufen
SiRR
SRR
SiRR ddPd ,2,1
22,1
2,2,1
2 ερ +=SiRRRR
SRR
SiRR dtdcddP ,2,12,12,1,2,1 ερ +∆⋅+=
(Codemessungen)
Relative Positionierung
29
Differentielle Verfahren
DGPS (Differential GPS)
• Anwendung der relativen Beobachtungsmethode in Echtzeit
• Referenzstation überträgt Beobachtungsdaten an Rover
• Rover verwendet Daten zur Korrektur seiner Position
• erreichbare Genauigkeit: < 1 m
PDGPS (Precise Differential GPS) / RTK
• Festsetzung der Mehrdeutigkeiten unter Verwendung der Daten der Referenzstation
• maximale Länge der Basislinie: 15 km
• geeignet für statische und kinematische Anwendungen
• erreichbare Genauigkeit: 1-2 cm
(Phasenmessung)
SiRR
SiRRi
SRR
SiRR dNddLd ,2,1
2,2,1
22,1
2,2,1
2 ελρ +⋅+=
Relative Positionierung
30
GNSS-Permanentnetze
GNSS-Permanentnetze
31
Prinzip
• Grundprinzip: PDGPS
• Modellierung der entfernungsabhängigen Fehler auf Basis mehrerer Referenzstationen
• cm-Genauigkeit bis zu einer Länge der Basislinie von 80 km (PDGPS nur 15 km )
• Herausforderung: Mehrdeutigkeitslösung
• Stationskoordinaten müssen sehr genau bekannt sein
• Fehlerparametrisierung auf Basis der Stationsresiduen
(MAC, VRS, FKP)
• Übertragung der Korrekturdaten im RTCM-Format an den Nutzer
• Bezug der Daten über:
• GSM, GPRS, UMTS oder NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol)
GNSS-Permanentnetze
32
Systemaufbau
GNSS-Permanentnetze
[Weber, Satellitennavigationsdienste, 2011]
Reference
Rover
Datenaufnahme -> an Zentrale senden
Mehrdeutigkeits- lösung in Zentrale
Erstellung von Fehlermodellen
Berechne Roverposition
Proc
essin
g
Interface VRS
Korrigiere Messungen für Roverposition
RTK :
Datenfluss und Fehlermodellierung
Fehlerparametrisierung - VRS
GNSS-Permanentnetze 33 [Weber, Satellitennavigationsdienste, 2011]
Aufbau und Betrieb von permanenten Referenzstationsnetzen unter
Nutzung von GPS/GLONASS
Verwendung für innerbetriebliche Nutzung
Bereitstellung von Korrekturdaten für Echtzeitpositionierung
Hohe Verfügbarkeit (24 Stundendienst)
Flächendeckende homogene Genauigkeiten für die Datenerfassung
Genauigkeitsanforderung: +/- 1- 5 cm
Anbindung an das österreichische und an internationale Bezugssysteme
Ziele der Netzbetreiber
34 GNSS-Permanentnetze
Typische Services der Refernznetzanbieter
Service Genauigkeit
RTK präzise Positionierung
(Code+Phase)
+/- 1-2cm Lage,
+/- 3-4 cm Höhe
Initialsierungszeiten 10-60 sec
DGPS Positionierung
(phasengeglätteterCode)
+/- 50 cm Lage
+/- 80 cm Höhe
RINEX-Server für Postprocessing +/- 2-3 mm
35 GNSS-Permanentnetze
36
Qualitätsanalyse
Qualitätsanalyse
37
Motivation
EPOSA (Echtzeit Positionierung Austria)
• aus der Kooperation der Firmen ÖBB, BEWAG und WIENSTROM entstanden
• im Herbst 2009 der Öffentlichkeit vorgestellt
• Österreich weiter Echtzeitpositionierungsdienst
• liefert Korrekturdaten in Echtzeit für cm-genaue Positionierung
• unter Berücksichtigung aller operativen Satellitensysteme
• mit höchster Zuverlässigkeit
• bester Verfügbarkeit und
• geprüfter Qualität
• 24 Stunden / 7 Tage Support
Ziel dieser Arbeit war, zu überprüfen ob dies gewährleistet werden kann!
Qualitätsanalyse
38
EPOSA Referenzstationen
38 Stationen (31 ÖBB, 5 BEWAG, 2 WIENSTROM) + 3 Tschechien, + 2 Italien
Auswahlkriterien:
• Infrastruktur
• stabiler Standort
• Stationsverteilung
• Stationsabstand
• freie Horizontsicht
• Mehrwegeausbreitung
• GPS/GLONASS - Empfänger auf allen Stationen
• Prinzip der zentralen Referenzstationssteuerung (Zentralen ÖBB / WIENSTROM)
Qualitätsanalyse
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Qualitätsinformationen
1. Verfügbarkeit der RINEX-Daten
2. Performance an den Referenzstationen
• Mehrwegeausbreitung
• Abschattung
• Carrier-Noise-Ratio
3. Festsetzung der Mehrdeutigkeiten
4. Initialisierungszeiten
5. Koordinaten der Referenzstationen
6. Redundanz beider Zentralen
Qualitätsanalyse
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Parameter Benötigte Daten
Vollständigkeit der RINEX Daten
Anzahl tracked und fixed GPS/GLONASS Satelliten
Elevation und Zeit bis tracking / fixing erreicht wird / abbricht
Abschattungen und CN0
Mehrwegeausbreitung
RINEX Daten, *.lrx Protokolldateien
*.ssa, Station und Tracking Information
*.ssa, Station und Tracking Information *.grs, Azimut und Elevation
*.grs, Signalstärke
*.grs, Stationsresiduen
Initialisierungszeit am Rover Koordinaten der Referenzstationen
NMEAlogs *.ssa, RefCheck Results
EPOSA Zustandsdaten
Vergleich beider Zentralen (OEBB und WS)
Qualitätsanalyse
• 17.04. bis 05.05.2012
• keine Systemausfälle
• Ausfälle an 9 Stationen (eine Stunde – wenige Tage)
• 99% Gesamtverfügbarkeit
• 99.2% Werktags-Verfügbarkeit (07:00 Uhr bis 18:00 Uhr MEZ)
41
Vollständigkeit der RINEX Daten - 2012
Qualitätsanalyse
42
Tracked und fixed Satelliten
GPS tracking Verlauf - Station Allentsteig
Qualitätsanalyse
43
Tracked und fixed Satelliten (2/4)
OEBB WS 2011 GPStracked 8.8 8.8 8.6
GPSfixed 8.1 (92%) 8.2 (93%) 7.6 (89%)
Glonasstracked 7.6 7.6 7.0
Glonassfixed 6.3 (83 %) 6.5 (85%) 5.7 (81%)
Mittelwerte über 38 Stationen
Geringe Unterschiede zwischen L1 und L2
Vergleichbare Werte bei den 3 tschechischen Stationen (GPS: 89% und GLONASS: 86%)
GLONASS: Mehrdeutigkeitslösung der FDMA-Signale sehr schwierig
Besonderheiten:
• schlechtestes Fixingverhalten an den Stationen KLAG, PAMA und WOFU
• ≈ 0.3 (5%) mehr gelöste GLONASS Mehrdeutigkeiten bei WS
Vergleich OEBB und WS – 2012 vs. 2011
Qualitätsanalyse
44
Tracked und fixed Satelliten (3/4)
Ursachen
• unterschiedlicher cut off angle für tracking und fixing (5° / 8.5°)
• Probleme bei der Lösung der Mehrdeutigkeiten von Satelliten mit niedriger Elevation
8.5°
Qualitätsanalyse
45
Tracked und fixed Satelliten (4/4)
OEBB WS
Mittelwert Gut Schlecht Mittelwert Gut Schlecht tfix/ttrack 90% / 85% 92% / 89% 88% / 83% 90% / 86% 91% / 89% 88% / 83%
elevtrack 5.5° / 5.5° 5° / 5° 6° / 6° 5.5° / 5.5° 5° / 5° 6° / 6°
tasol 15min / 18min 10min / 14min 19min / 23min 12min / 16min 9 min / 12min 18min / 21min
Elevasol 12°/ 14° 11° / 13° 14° / 16° 12° / 13° 11° / 13° 14° / 15°
tesol 9min / 12min 7min / 8min 14min / 20min 10min / 13min 8min / 8min 15min / 20min
elevesol 9° / 10° 8° / 8° 12° / 13° 10° / 10° 8° / 9° 12° / 13°
1min entspricht ≈ 0.5°
• Mittelwerte über 38 Stationen für GPS / GLONASS
• telev ≈ 8min, d.h. tfix/ttrack verbessert sich um ≈ 2.5%
Vergleich OEBB und WS - 2012
Qualitätsanalyse
46
Vergleich tracked und fixed Satelliten 2009/2011/2012
Cut off angle, Initialisierungszeiten und frühzeitiger Abbruch der Mehrdeutigkeitslösung
2009 2011 2012 tfix/ttrack GPS/GLONASS 62% / 36% 91.5% / 83.5% 94.5% / 85.5%
tasol GPS/GLONASS 29min / 48min 16min 15min / 18min
elevasol GPS/GLONASS 17.5° / 22.7° 12.9° / 13.2° 12.1° / 13.8°
tesol GPS/GLONASS 31min / 50min 12min 9min / 12min
elevesol 15.5° / 25.6° 9.3° / 9.9° 9.0° / 10.0°
telev berücksichtigt
Qualitätsanalyse
47
Carrier-Noise-Ratio
Qualitätsanalyse
Vergleich L1 / L2
• L1: zwischen 35 dbHz & 55 dbHz
• L2: zwischen 25 dbHz & 50 dbHz
• Elevationsabhängigkeit • GPS: 0.025%* weniger
Beobachtungen auf L2 als auf L1
• GLONASS: 1.4%* weniger
Beobachtungen auf L2 als auf L1 * Mittelwert über 14 Tage und alle Stationen
CN0 (Carrier-Noise-Ratio) • Verhältnis von Trägerphasenleistung zur Rauschleistung bei einer Bandbreite von 1 Hz
L1 CNO-Muster GPS/GLONASS L2 CN0-Muster GPS/GLONASS
48
Carrier-Noise-Ratio (2/2)
L1 CNO-Muster ausgewählter Stationen
Station trGPS L1 fiGPS L1 Diff.
Allentsteig 9.73 5.62 4.11
Liezen 8.55 5.67 2.88
Dalaas 7.22 4.70 2.52
• schlechteres CN0 (≈ -10 dbHZ) hat keinen signi-fikanten Einfluss auf die Mehrdeutigkeitslösung
• Abschattungen sind möglichst zu vermeiden
Qualitätsanalyse
49
Stationsresiduen und Mehrwegeausbreitung
Residuen der L1-Code-Beobachtungen
• Kein Nahfeld-MP auf allen Stationen
• Mattersburg = Referenz (gute Performance)
• Station Liezen: Fernfeld-MP
(möglicher Grund für schlechtes SNR)
• Tracking-Probleme auf der Station Ochenig Süd
• Station Neusiedl/See: sehr hohe Residuen
Auswertung der RINEX-Daten von NEUS für den 19.07.2010 mit LEICA GNSS QC
kein MP 2010
Grund: Antennenwechsel Herbst 2009
Qualitätsanalyse
50
Stationsresiduen und Mehrwegeausbreitung (2/2)
Residuen der L1/L2-Beobachtungen – 2012 / 2011
Qualitätsanalyse
• MP an den Stationen Andau und Pama
• Nahfeld-MP an der Station GRAZ zu vermuten
• starke Variation der Residuen an der Station KLAG
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Koordinaten der Referenzstationen
• zuletzt berechnet im April 2010 über einen Zeitraum von 40 Tagen
• Netzausgleich für alle Stationen (früher: getrennt für Ost- und West-Österreich)
• Differenzen zu den „alten“ Koordinaten < 4 cm
Station Xref [m] Yref [m] Zref [m] ALST 4066601.7 1114763.2 4770206.0
AMST ……
4122668.2 1096200.5 4726131.4
• ITRF2000 Koordinaten zur Epoche 1997.0
• hier: genähert auf dm-Genauigkeit
Monitoring der Referenzkoordinaten
• Auswertung der Beobachtungsdaten im Post Processing (mm-genau)
• automatische Überwachung des Referenzstationsnetzes
Auswertung der Stationsresiduen in Echtzeit (cm-genau)
GNNET-Tool RefCheck
Qualitätsanalyse
52
Koordinaten der Referenzstationen (2/3)
• Analyse des Koordinaten-Offsets (dN, dE und dU)
• Koordinaten der Station Schladming festgehalten,
• alle anderen Stationskoordinaten werden in der Auswertungssoftware mit geschätzt
• Vergleich dieser Koordinaten mit den Referenzkoordinaten (April 2010)
Qualitätsanalyse
53
• täglicher Reset um 03:00 Uhr
• ähnlicher Kurvenverlauf für beide Zentralen, Offset bei PAMA
• Koordinaten-Offsets > 1cm : DALA, MATR, ROET, SAAL, SALZ, SEEF
• Drift: ATPU, KLAG
Qualitätsanalyse
Koordinaten der Referenzstationen (3/3)
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Initialisierungszeit am Rover – 2012 (2009)
• Auswertung der NMEA Protokolle von Nutzern des RTK Services
• Extraktion des Zeitpunkte, wann Rover tracking beginnt und wann Mehrdeutigkeiten gelöst sind
• HDOP & Anzahl beobachteter Satelliten wurden analysiert
• Dauer für 924 (498) erfolgreiche Positionslösungen wurde ausgewertet (OEBB 414, WS 510)
• Initialisierungszeit (TTFF) beträgt rund 22 Sekunden (35 Sekunden)
• Unterschied zwischen OEBB und WS ist rund 2 Sek (23 vs. 21Sek)
Werte Min Max Median
TTFF [s] 10 1381 22
Anz Sat 3 20 14.5
HDOP 0.5 14.0 0.8
Werte Min Max Median
TTFF [s] 3 5982 34
Anz Sat 2 17 8
HDOP 0.5 18.9 1.2
Qualitätsanalyse
55
Ausblick
Ausblick
56
Ausblick
GNSS = GPS + GLONASS + (GALILEO) + (COMPASS)... ab 2016 werden rund 80-100 Navigationssatelliten zur Verfügung stehen
Die Nutzung von GPS+GLONASS+ GALILEO+COMPASS - erhöht die Anzahl der verfügbaren Beobachtungen - verbessert weitgehend die Schnittgeometrie (DOP) - verringert die Fixierungszeit
Intra- and Intersystem Biases Die Transformation in Landeskoordinaten (Kataster, Grundgrenzen, etc.) erfolgt
automatisiert am Rover. Einfachere Nachführung der Stationskoordinaten
Aufbau von europäischen GNSS-Permanentnetzen
PPP-RTK (RTCM-3.2)
Ausblick
Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
Gregor Möller Technische Universität Wien Department für Geodäsie und Geoinformation Gußhausstraße 27 – 29, 1040 Wien [email protected] www.hg.tuwien.ac.at