Praktikum

10.8 Achte Sitzung

DGPS-Messung im Gelände mittels SAPOS/RTCM-Modem

Im heutigen praktischen Teil sollen die eigenen Koordinaten-Messungen (Hand-GPS) eines bekannten Topographischen Festpunktes (TP) an der Aaseebrücke oder eines TP auf dem Institutsparkplatz (GEO I, Heisenbergstr. 2) mit den Daten einer genaueren DGPS-Messung (hier: WAAS/EGNOS und SAPOS-Korrekturdaten) verglichen werden (Abb. 8.1).

(WAAS: Wide Area Augmentation Service - EGNOS: European Geostationary Navigation Overlay Service)

Abb. 8.1: Beispielhaft der TP 83 'Torminbrücke Aasee' in der offiziellen Aufmesskizze von 1989

Summary: Calculation of own GPS and DGPS-Positions for a known geodetic topographic/trigonometric control points (TP) using a Garmin 60 handheld (active WAAS/EGNOS) and Trimble R7 -System (SAPOS). Both methods represent different accuracy levels of Differential-GPS applications!

Basic idea of DGPS: The precise geodetic position of a reference station (or geostationary satellite) is known and can be compared with its calculated GNSS/GPS-Position. The resulting difference (or relative error) can be transmitted to a mobile GPS-unit, wich 'adjusts' its own GPS-calculation by using the received 'difference'. The accuracy of the correction is depending on the distance to the refernce station, since the geometric constellation of the used/viewed GNSS/GPS-satellites varies by distance and perspective!! This is one important reason why local reference stations/services (SAPOS) are more accurate then wide area or even global reference services (WAAS/EGNOS).

Two common real-time methods for relative/differential positioning are:

DGPS (one correction frequence)
PDGPS/RTK (Precision DGPS/Real Time K(C)inematics, two correction frequences)

Relative positioning by (partly) global or regional/national services:

Satellite Based Augmentation System SBAS; (EGNOS, WAAS, MSAS) (geostationary satellite messages)
Ground Based Augmentation System GBAS (ground reference station, beacon)
SAPOS (net of many reference stations, beacon, GSM, GPRS, NTRIP)
Ascos (GLONASS and GPS monitoring, GSM, GPRS)
Waterways- and Shipping Office (IALA-DGPS), (AM-radio-beacon)
own reference station (radio-transmission, 70cm wavelenght)

Used protocoll:

RTCM (US-american Radio Technical Commission for Maritime Services)
often send in RDS or GSM mode

Specialities of most german refence networks:

Area correction (FKP) (calculation by DGPS-receiver)
Virtual reference station (VRS) (calculated and transmitted by reference service, like SAPOS)

Average Accuracies

table accuracy

DGPS-Positions can also be calculated by postprocessing methods!

Coordinates for the /Die Koordinaten des TP Torminbrücke betragen laut amtlicher Vermessung von 1989:

Rechtswert: 3404129,42 m
Hochwert: 5758390,15 m

Coordinates for the / Die Koordinaten des TP Institutsparkplatz GEO I (Behindertenparken 2) betragen laut RTK Vermessung von 2011:

Rechtswert: 3403561,28 m
Hochwert: 5760400,40 m

Zur mobilen Einmessung mit dem GPS können als Korrekturdatenempfänger z.B. ein low-cost RDS-Decoder RDS-66 (UKW) (Abb. 8.2/a) oder (aktuell) überwiegend der SAPOS-Positionierungsdienstes des Landes genutzt werden. (NRW).

Abb. 8.2: Älterer UKW RDS-Decoder für den RTCM-Empfang RDS-66 (in Kombination mit GPS-Rucksack), bzw. das TRIMBLE/SAPOS R-7 DGPS)

Die RTCM-Daten werden im RDS auf die Trägerfrequenzen der gängigen UKW Landesradiosender (z.B. WDR 5, SWR etc) aufmoduliert und durch das Modem decodiert (dieses Verfahren verliert jedoch zunehmend an Bedeutung und wird durch Telefonie/GSM-Technik ersetzt). Der RDS-66 sucht sich hierbei grenzüberschreitend die stärksten RDS-Sender selbstständig (Autoscan). Im Bereich des Küstenfunks wird die Korrekturdateninformation durch regionale, nautische Funkfestfeuer (Sender) über Langwelle (z.B. Helgoland 298,5 kHz) übermittelt. Entsprechende Decoder müssen also auf die jeweilig gültige Sendefrequenz einstellbar sein - so z.B. der Shipmate RS-5660 (Abb. 8.3) von SIMRAD

Abb. 8.3: Der RTCM-Decoder Shipmate RS-5660 für den tune-fähigen Langwelleneinsatz

Die Übertragung von RTCM-Daten via RDS bietet den großen Vorteil, landesweit Korrekturdaten mit einer finalen Positionierungsgenauigkeit von etwa 2m zur Verfügung stellen zu können ohne aufwendige Datenprocessierungen vornehmen zu müssen. Diese Lösung ist für viele geowissenschaftliche Anwendungen (z.B. Biotop-Kartierungen) kartographisch und ökonomisch sinnvoll.

Einen kurzen Überblick über ähnliche DGPS-Methoden gibt diese Zusammenstellung (vgl. Abb. 8.5):

GSM oder GPRS (NTRIP), RINEX
Satellit: SBAS (EGNOS, WAAS, MSAS)
Spezielle Sonderfrequenzen
Historisch: ALF über LW (Langewelle, seit 12.2005 abgeschaltet)
Historisch: RASANT (SAPOS®-EPS) über UKW (Ultrakurzwelle, wird aber in vielen Bundesländern bereits abgeschaltet)
Speziellere lokale Beacon über LW/MW

Die Daten werden auf unterschiedlichen Frequenzen resp. mit unterschiedlicher Technologie übermittelt. In vielen Fällen ist demnach ein zusätzliches Funkmodem erforderlich, das an den GPS-Empfänger angeschlossen wird.

Erreichbare Genauigkeiten

Die Genauigkeiten sind in erster Linie abhängig von der Qualität des GPS-Empfangs, desweiteren vom kontinuierlichen Empfang der Korrekturdaten, und von der Entfernung zur Referenzstation. Bei Genauigkeitsangaben wird grundsätzlich vorausgesetzt, dass gute Empfangsbedingungen herrschen. Am besten sind statische Messungen über mehrere Minuten vor Ort (Abb. 8.4).

Abb. 8.4: DGPS-Genauigkeitsvergleich der verschiedenen RTCM-Dienste

SAPOS-Dienst der Landesvermessungsämter in Zusammenarbeit mit den öffentlich- rechtlichen Rundfunkanstalten.

Die Korrekturdaten werden und über das Radio Daten System RDS von UKW-Rundfunksendern ausgestrahlt. Es fallen keine laufenden Verbindungs- oder Lizenzgebühren an. Datenformat: RTCM SC-104, Ver. 2.1, Korrekturwerte in den Messages Nr. 1 und 2.

Beacon über LW/MW

In Deutschland ein Dienst der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes. In vielen Gegenden Deutschlands zu empfangen, desweiteren weltweit, hauptsächlich an Küsten und im Landesinneren entlang größerer Schifffahrtswege. Es fallen keine laufenden Verbindungs- oder Lizenzgebühren an. Datenformat: RTCM SC-104, Ver. 2.1, Korrekturwerte in den Messages Nr. 9 und 2. Frequenzliste für Deutschland Station kHz ID Nord Ost. Einige Stationen bieten bereits zusätzlich (D)GLONASS Korrekturdaten. Wichtige Stationen in Deutschland sind:

Bad Abbach * 314.5 kHz; Nr. 765; Pos.: 48°56' 12°02'
Groß Mohrdorf 308.0 kHz; Nr. 761; Pos.: 54°22' 12°55'
Helgoland 298.5 kHz; Nr. 762; Pos.: 54°11' 07°53'
Iffezheim * 293.5 kHz; Nr. 764; Pos.: 48°50' 08°07'
Koblenz ** 302.5 kHz; Nr. 760; Pos.: 50°22' 07°35'
Mauken * 313.5 kHz; Nr. 766; Pos.: 51°43' 12°49'
Zeven 303.5 kHz; Nr. 763; Pos.: 53°17' 09°15'

(Bitrate jew. 100; RTCM-Messages: 9,3,6,7,16, * Probebetrieb, ** Versuchsstation, Stand 5/2005)

GSM oder GPRS

GSM oder GPRS ("NTRIP", Korrekturdaten über Internetprotokoll) werden häufig eingesetzt für Dienste, die einen "VRS"-Lösung anbieten, also ein Netz aus mehreren Referenzstationen betreiben und Korrekturdaten einer virtuellen, nahe beim Anwender befindlichen Referenzstation simulieren (intrapolieren) und dem GPS-Empfänger des Anwenders zusenden. Hierfür muss das GPS-System des Anwenders in der Lage sein, an den Diensteanbieter die aktuelle Position zu übermitteln, z.B. in Form der kontinuierlich aktualisierten NMEA-GGA-Message.
Unter den DGPS-Diensten bieten derartige Dienste die höchste Genauigkeit, jedoch werden laufende Gebühren für Service und Übertragung fällig. Als Funkmodem kann oft ein handelsübliches, modernes Mobiltelefon eingesetzt werden. Die Konfigurationseinstellungen für den Datenzugang und Mobiltelefon werden üblicherweise in der Bediensoftware des GPS-Systems vorgenommen. Von den Diensteanbietern werden verschiedenste Daten geliefert, z.B. online-Korrekturdaten (RTCM) für DGPS und RTK offline RINEX-Daten für Postprocessing (SAPOS, ein Dienst der Landesvermessungsämter oder ASCOS, ein Dienst von E.ON)

Satellit: SBAS (EGNOS, WAAS, MSAS, GAGAN)

SBAS ist der Oberbegriff teilglobaler Korrekturdienste (SBAS = Satellite Based Augmentation Systems). Diese Verfahren nehmen eine Sonderstellung ein. Die Daten (die unter anderem auch die Korrekturdaten enthalten) werden von einem geostationären Satelliten im gleichen Frequenzband wie die GPS-Signale gesendet und vom GPS-Empfänger in ein oder zwei reservierten Kanälen empfangen und decodiert - ein zusätzliches Empfangsmodul ist also nicht erforderlich. Das WAAS-System bedient Amerika mit Schwerpunkt USA, EGNOS Europa, MSAS Asien mit Schwerpunkt Japan, GAGAN Indien und den nahen pazifischen Raum. Die meisten der moderneren GPS-Empfänger verfügen über SBAS bzw. besitzen eine "WAAS/EGNOS"-Fähigkeit -- ein "Aufrüsten" älterer Empfänger ist meist nicht möglich. Details über WAAS und EGNOS gibt es hier!

Die für Europa aufgrund ihrer geostationären Position geeignetsten EGNOS-Satelliten (in absteigender Reihenfolge) sind ( Nr/PRN, Name, Position):

124 Artemis Zentralafrika
120 Inmarsat AOR-E 3F2 Westl. v. Afrika
126 Inmarsat IOR-W 3F5 Zentralafrika

Bei vielen GPS-Empfängern (Garmin GPS-60) werden bestimmte SBAS-Satelliten speziell erkannt und können einzeln selektiert werden, um zu vermeiden, dass WAAS-Signale, die für den amerikanischen Kontinent vorgesehen sind, für Positionen in Europa verarbeitet werden.

Satelliten-Tracker mittels Omnistar und Lyngsat

Ebenfalls über Satellit, aber mit mit der Möglichkeit des Anschlusses eines externen Korrekturdatenempfängers, manchmal auch bereits im GPS-System integriert. Die erreichbaren Genauigkeiten betragen infolge einer speziellen Technologie mit Einfrequenzempfängern "Submeter", mit Zweifrequenzempfängern "Dezimeter". Die Methode wird häufig auf Auslandseinsätzen oder oder im landwirtschaftlichen Bereich genutzt (Omnistar Cooperation/Trimble).

Spezielle Frequenzen bzw. eigene Referenzstation

Besonders beim Einsatz einer eigenen Referenzstation, die nicht allzu weit vom Rover entfernt betrieben wird, kommen Funkgeräte mit bestimmten Frequenzen zum Einsatz. Bei häufiger Nutzung kann die Investition in ein eigenes Funksystem die kostengünstigere Alternative zu GSM/GPRS sein. Die überbrückbare Entfernung beträgt ca. 200m bis mehrere Kilometer. Der Betrieb ist, abhängig von Frequenz und Sendeleistung, kostenlos (ISM-Band 433MHz, 868Mhz) oder kostenpflichtig (z.B. 433MHz bei höherer Sendeleistung). Eine anfallende, jährliche Lizenzgebühr ist zu entrichten an die Bundesnetzagentur, ehemals REGTP.
Bei Auslandseinsätzen sind die Bestimmungen des jeweiligen Landes - sowohl was die Sendefrequenz als auch die Zulassung des Funkgeräts betrifft - zu beachten.

Abb. 8.5: Systemaufbau RTCM/RDS-Datenübermittlung von GPS-Korrekturdaten (Deutsche Telekom)

Je nach Wetterlage und Hardwareausstattung werden die Messungen der x-, y- und z-Komponente am TP mittels GARMIN GPS 60 GPS im Gelände durchgeführt und abgespeichert. Zusätzlich wird der Punkt Aaseebrückenmitte angesteuert um die DGPS-Messung der Z-Komponente (Höhe üNN) mit dem geodätischen Sollwert zu vergleichen. Achten Sie vor der Messung auf die richtige Einstellung der GPS-Schnittstellen hinsichtlich des Korrekturdatenformates!

Aufgabe

Durchführung der GPS und der DGPS-Messung eines TP (entweder Aaseebrücke oder Parkplatz GEO I) sowie Beurteilung der Fehlereinflüße hinsichtlich der Koordinaten-Differenzen vor Ort! Kalkulation einer mittleren Position aus der Summe alles GPS-Messungen mit WAAS!