Was passiert in satellitengestützten Refer · PDF fileRTCM 18/19, RTCM 20/21 + FKP...
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VDV-Seminar Fulda 16.-17.9.2004 © 2004 Geo++® GmbH
Was passiert in satellitengestützten
Referenzstationsnetzen
Geo++® GmbHD-30827 Garbsen
www.geopp.de
Andreas Bagge
VDV-Seminar Fulda 16.-17.9.2004 © 2004 Geo++® GmbH
Inhalt
● Zielsetzung eines Referenznetzes● GNSS Grundprinzip
– GNSS Fehlerquellen● Differentielles GNSS
– Entfernungsabhängigkeit● RTK Netze
– Mehrdeutigkeitsproblematik– Modellierung der Fehlerquellen, Systemzustand– Repräsentation
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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, ...
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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
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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
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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
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SatellitenbahnfehlerBroadcast Orbit
Wahrer Orbit
Orbit-FehlerFehler- einfluss
XY
Z
WGS84
B
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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Satellitenuhrfehler
Fehler-einfluss
XY
Z
WGS84
S
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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Ionosphäre
Fehlereinfluss (dispersiv):- Beschleunigung der Trägerphase- Verzögerung der Codephase
XY
Z
WGS84
I
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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Troposphäre
Fehlereinfluss:- nicht-dispersive Refraktion
XY
Z
WGS84
T
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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Multipath
XY
Z
WGS84
FehlereinflussSignal-Interferenenz
M
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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Antennenphasenzentrums-variationnen (PCV)
XY
Z
WGS84
Fehlereinfluss:Offsets und elev./azim. abhängige Variationen
A
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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Receiveruhrfehler
XY
Z
WGS84
4te Unbekannte t R
Die wichtigsten GNSS Fehlerquellen
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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
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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!
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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“)
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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 =>
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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
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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
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DGNSS Entfernungsabhängigkeit
PRC
DistanzReferenz Rover
entfernungsabhängige Fehler (mindert Qualität mit zunehmender Entfernung)
Broadcast-Korrektur (pro Satellit)
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Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit
Entfernung von Referenzstation
GenauigkeitVerfügbarkei, Zuverlässigkeit
100 %
1 cm
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Unvernetzte Referenzstationenbei sehr guten Bedingungen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeitgut schlecht
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Unvernetzte Referenzstationenbei mittleren Bedingungen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeitgut schlecht
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Unvernetzte Referenzstationenbei schlechten Bedingungen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeitgut schlecht
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Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeitgut schlecht
Unvernetzte Referenzstationenbei extrem starker Ionosphäre
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Einfaches RTK:RTK Grenze bei einzelner Basistation
PRC
EntfernungReferenz
Broadcast Korrektur
maximal akzeptierterFehler für RTK
RTK Grenze
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Vernetzte Referenzstationen
Genauigkeit,Zuverläsigkeit,Verfügbarkeitgut schlecht
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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
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Entfernungsabhängige Fehler aus RTK-Vernetzung
PRC
DistanzRef 1 Rover Ref 2
„Interpolierter“ Fehlereinfluss
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Mehrdeutigkeitsniveau
Phasenkorrektur
Distanz
2
Ref1 Rover Ref2
identischeAmbiguity Levels unterschiedlicher
Ambiguity Level
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Range Observation
R
Entfernungsmessung Rzu 1 Satelliten
Receiver mussirgendwo auf derKugeloberfläche sein
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Geometrischer Ort aus 3D-Entfernungsmessung
R1
R2
Entfernungsmessungzu 2 Satelliten
Receiver mussirgendwo auf demSchnittkreis sein
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Ambiguity Search4 Satelliten
mehr Satelliten weniger Kandidaten
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Ambiguity Search: schwache Genauigkeit
schwache Genauigkeit mehr Kandidaten
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Ambiguity Search: systematische Fehler
systematische Fehler falsche Kandidaten
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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
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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
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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)❐ ...
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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)
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FKP Repräsentation
Phasenkorrektur
Distanz
Ref 1
1
Rover
M
1
Ref 2
2
FKP
FKP
FKP Repräsentationsfehler
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FKP RepräsentationBeispiel GNSMART
● eine FKP-Ebene pro:
❐ Referenzstation(=„Basissignal“)
❐ Signal (Li, L0)
❐ Satelliten
● optional: Polynome höherer Ordnung Λ
ΦPRC
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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?
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Pseudo-Referenzstation (PRS)
Phasenkorrektur
Distanz
Ref 1
1
Rover
M
Ref 2
2
PRS Repräsentationsfehler
PRS
PRS
Distanz: Rover erwartet Restfehler
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Ambiguity-freie Phasenkorrektur- Differenzen (RTCM 3.1)
Phasenkorrektur
Distanz
Ref 1
1
Rover
M
1
Ref 2
2
12Cor
Cor Repräsentationsfehler
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„reale“ Referenzstation
„sichtbare“ Referenzstation
individualisierte Korrekturenbewegter Rover
Geo++ FKP:
Geo++ PRS:
Geo++ VRS:
„classic“ VRS:
Individualisierte Korrekturdatenmit Geo++ FKP – PRS – VRS