geoinformatik_online, Ausgabe 1/96, http://gio.uni-muenster.de
 
Methodik der GPS- und DGPS-Messung
Günter Seeber und Martin Schmitz
Institut für Erdmessung, Hannover

1. Einführung
2. Grundkonzepte des GPS Systems
    2.1 Navigationsprinzip
    2.2 Raumsegment
    2.3 Kontrollsegment
    2.4 GPS Signale, Code und Träger
    2.5 Nutzersegment (GPS Empfänger)
    2.6 DOP Maße
    2.7 Sicherungsmaßnahmen
3. Differential GPS (DGPS)
    3.1 Prinzipien
    3.2 DGPS Dienste
    3.3 Schnelle Meßverfahren
    3.4 Statische und kinematische Messungen
    3.5 Echtzeitkinematik (RTK)
    3.6 DGPS-Konzept der AdV
4. Nutzergruppen, Anwendungsspektrum
5. Literatur

1. Einführung

Das satellitengestützte Navigationssystem NAVSTAR GPS hat sich in den vergangenen Jahren zu einem ausgereiften, leistungsfähigen Werkzeug entwickelt, mit dem zahlreiche Aufgaben erfolgreich bearbeitet werden können. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Fähigkeit der GPS Technologie, genaue dreidimensionale Positionen von statischen und bewegten Objekten in Echtzeit bereitzustellen, die vermehrt zur räumlichen Verknüpfung mit anderer Daten genutzt werden können. Hierdurch bietet sich GPS als eine wesentliche Komponente in einem umfassenden Informationssystem an.

Im Rahmen dieses Beitrages werden in kurzer Form die Grundlagen der Positionsbestimmung mit GPS, der aktuelle Stand der Systementwicklung, unterschiedliche DGPS Verfahren und DGPS Dienste, die Entwicklung von präzises DGPS sowie einige typische Einsatzmöglichkeiten behandelt. Beispielhaft wird das AdV Konzept für einen DGPS Dienst in der Bundesrepublik kurz vorgestellt.

2. Grundkonzepte des GPS Systems

2.1 Navigationsprinzip

Das NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das für entsprechend ausgerüstete Nutzer genaue dreidimensionale Positions- und Navigations- sowie Zeitinformationen vorhält. Die Anordnung der insgesamt 24 Satelliten in etwa 20,200 km Bahnhöhe ist so gestaltet, daß an jeder Stelle der Erdoberfläche jederzeit mindestens 4 Satelliten über dem Horizont stehen. Da es sich um eine globale Aufgabe handelt, wählt man als Koordinatensystem das Geodätische Weltsystem WGS 84. WGS 84 ist ein dreidimensionales, kartesisches, geozentrisches Bezugsystem. Für praktische Anwendungen müssen die Ergebnisse deshalb in vielen Fällen mit Standardformeln in die jeweiligen lokalen Systeme umgerechnet werden (z.B. Heck 1995).

Abbildung1: Grundprinzip der Positionsbestimmung und Navigation mit GPS

GPS ist primär ein militärisches Navigationssystem und wurde nicht für Vermessungsaufgaben entwickelt. Das grundlegende Navigationsprinzip beruht auf der Messung sogenannten Pseudoentfernungen zwischen dem Nutzer und vier Satelliten (Abb. 1). Die Bestimmung der Distanz 'Empfangsantenne-Satellit' erfolgt durch Korrelation des Satellitensignals (Code) mit einer im Empfänger erzeugten Kopie des Codes. Konkret werden der Aussendezeitpunkt des Signals am Satelliten und der Empfangszeitpunkt im Nutzerempfänger miteinander verglichen. Da die Uhren im Satelliten und im Empfänger nicht miteinander synchronisiert sind, enthält die aus der Signallaufzeit abgeleitete Distanz noch einen systematischen Fehler (Uhrfehler). Dieser Synchronisationsfehler ist der Grund für die Bezeichnung Pseudoentfernung. Ausgehend von bekannten Satellitenkoordinaten in einem geozentrischen Bezugssystem (WGS 84) können dann die Koordinaten der Nutzerantenne abgeleitet werden (Abb. 2). Da neben den drei Standpunktkoordinaten jeweils noch der Uhrfehler mitbestimmt werden muß, erfolgt die Positionsbestimmung im Grundsatz durch simultane Messung von Pseudoentfernungen zu vier Satelliten. Moderne Empfänger, auch einfache Handgeräte, führen die Positionsberechnung praktisch in Echtzeit durch, so daß bei einer Taktrate von beispielsweise 1 Hertz zu jeder Sekunde eine Position zur Verfügung steht. Die grundlegende Beobachtungsgleichung ist sehr einfach

Hierin bedeuten (X,Y,Z)i die Satellitenkoordinaten, (X,Y,Z)B die Beobachterkoordinaten, PRi die gemessene Pseudoentfernung und ctu den Uhrsynchronisationsfehler.

Abbildung 2: Dreidimensionales, geozentrisches Bezugssystem der Satellitengeodäsie

Die Annahme einer grundlegenden Minimalkonfiguration von vier Satelliten hat für viele Jahre die Nutzung des GPS Systems geprägt und dazu geführt, daß sich die ersten Empfängerentwicklungen auf die Messung zu jeweils vier Satelliten beschränkten. Moderne GPS Empfangsanlagen bieten die Möglichkeit, die Signale aller gleichzeitig sichtbaren Satelliten zu nutzen und besitzen entsprechend viele Empfangskanäle. Die gleichzeitige Verarbeitung von Meßsignalen möglichst vieler Satelliten ist insbesondere bei der Anwendung schneller Meßverfahren im Vermessungswesen von Bedeutung.

2.2 Raumsegment

Die Gesamtheit der verfügbaren Satelliten bilden das sogenannte Raumsegment. Zur Zeit besteht es aus 24 Satelliten vom Typ Block-II bzw. Block-IIa. Der erste Block-II Satellit wurde 1989 gestartet. Mit dem Start des 24. Satelliten im März 1994 wurde das System offiziell für voll operabel erklärt (Full Operational Capability, FOC). Wegen der hohen Robustheit der Satelliten mußte bislang keiner der verfügbaren Reservesatelliten in Umlauf gebracht werden. Im Laufe des Jahres 1996 wird man mit dem Start der bereits hergestellten Nachfolgesatelliten Block-IIR beginnen. Für die Zeit nach 2001 ist eine weitere Generation von GPS Satelliten, Block-IIF, bereits in Auftrag gegeben. GPS wird damit für die nächsten 15 bis 20 Jahre als Vermessungssystem zur Verfügung stehen. Bei mindestens 24 Satelliten sind je nach geographischer Position des Beobachters in der Regel 6 bis 8 Satelliten gleichzeitig über dem Horizont sichtbar. Abb. 3 zeigt die Satellitenüberdeckung für Münster im Mai 1996.

Abbildung 3: Satellitenüberdeckung in mittleren Breiten (Münster) am 25.05.1996; Elevationsmaske 10o

Da es sich bei GPS Beobachtungen im wesentlichen um Zeitmessungen handelt, sind die GPS Satelliten mit hochpräzisen Oszillatoren ausgestattet. Die Block-II Satelliten tragen Rubidium- und Cäsium-Atomuhren; für die Block-IIR Satelliten sind noch genauere Wasserstoff-Maser vorgesehen.

2.3 Kontrollsegment

Die Aufgaben des Kontrollsegmentes sind die

Dies geschieht über ein globales Netz von fünf Überwachungsstationen. Die Hauptkontrollstation befindet sich in Colorado in den USA. Da GPS ein militärisches System ist, unterliegt es ausschließlich der Verantwortung und Kontrolle des US Verteidigungsministeriums (Department of Defense DoD). Auch wenn die zivile Nutzung des Systems bei weitem überwiegt, ist eine Einflußnahme ziviler Stellen ausgeschlossen. Die amtlichen Aussagen über die zivile Verfügbarkeit des Systems mit der amtlich garantierten Navigationsgenauigkeit sind im Federal Radio Navigation Plan (1994) nachzulesen.

Um auch zivilen Nutzern Informationen verfügbar zu machen und die notwendige Transparenz zu schaffen, entstehen überall in der Welt kommerzielle, wissenschaftliche oder öffentliche Informationsdienste. Beispiele hierfür sind der GIBS Dienst des Instituts für Angewandte Geodäsie in Frankfurt (Weber 1992, GIBS 1996), der Internationale GPS Geodynamics Service (IGS) (Beutler 1996) oder die Referenzstationsnetze der Landesvermessungsverwaltungen (Hankemeier 1995).

2.4 GPS Signale, Code und Träger

Bei GPS-Beobachtungen hat man es mit drei Typen von Signalen zu tun, den Träger-, Code- und Datensignalen. Ausgehend von der Grundfrequenz 10,23 Mhz des Satellitenoszillators werden zwei Trägersignale im L-Band, L1 und L2 mit einer Wellenlänge von etwa 20 cm abgeleitet. Den Trägern sind zwei Codesignale überlagert (Abb. 4), der präzise P-Code auf L1 und L2 und der grobere C/A-Code ausschließlich auf L1. Bei den Codes handelt es sich um sogenannte PRN Codes (Pseudo Random Noise), einer Folge von +1 und 1 mit zufallsähnlichem Charakter. Zusätzlich ist noch das Datensignal mit einer Frequenz von 50 Bits pro Sekunde und einer Zykluslänge von 30 Sekunden aufmoduliert.

Abbildung 4: Träger- und Codesignal bei GPS

Tabelle 1: Wichtige Eigenschaften von Code- und Trägerphasen

Tab. 1 verdeutlicht die Zusammenhänge. Die eigentliche Navigation erfolgt in der Regel mit Hilfe der Codemessung, da hier durch die Korrelationstechnik eindeutige Pseudoentfernungen in Echtzeit bestimmt werden können. Die Meßgenauigkeit beträgt aufgrund des Coderauschens einige Dezimeter bis Meter. Es ist offensichtlich, daß für präzise Anwendungen im Vermessungswesen die Nutzung der Trägerwellen unabdingbar ist. Bei der Trägerphasenmessung kann heute das Wellenreststück auf Bruchteile eines Millimeters aufgelöst werden. Wenn es gelingt, das Mehrdeutigkeitsproblem zu lösen, d.h. die gesamte Anzahl von Wellenzyklen in der Entfernung Satellit-Beobachter zu bestimmen, dann kann das hohe Genauigkeitspotential von GPS ausgeschöpft werden. Sofern sich die Fehlereinflüsse beherrschen lassen, kommt GPS auch als Präzisionsmeßverfahren in der Ingenieurvermessung in Betracht.

Um Trägerphasenmessungen durchführen zu können, muß das Trägersignal zunächst rekonstruiert werden. Dies geschieht am einfachsten und ohne Verlust an Signalqualität durch Subtraktion des Codes vom empfangenen Signal. Da auf L2 lediglich der P-Code, nicht aber der C/A-Code aufmoduliert ist, muß der P-Code bekannt sein, um die Trägerwelle auf L2 zu rekonstruieren. Im Zuge der Aktivierung von Sicherungsmaßnahmen ist der P-Code allerdings in der Regel verschlüsselt und zivilen Nutzern nicht zugänglich (Anti Spoofing, AS). Es müssen deshalb andere Techniken verwendet werden, um auf L2 Trägerphasenmessungen durchführen zu können.

Eine einfache Methode besteht darin, das L2 Signal zu quadrieren und damit das Codesignal, da es aus einer Folge von +1 und 1 besteht, zu eliminieren. Hierdurch halbiert sich jedoch die Wellenlänge, und das Meßrauschen wird erheblich erhöht. Eine Folge davon ist, daß bei Empfängern mit Quadriertechnik die Signale auf L2 wegen zu großer Störungen häufig nicht nutzbar sind. Alle führenden Hersteller von geodätischen GPS Empfängern haben deshalb neue Techniken entwickelt, die auch bei aktiviertem AS die volle Wellenlänge auf L2 mit ausreichender Signalqualität bereitstellen (Breuer u.a. 1993).

2.5 Nutzersegment (GPS Empfänger)

Die Entwicklung auf dem Empfängermarkt hat in den vergangenen Jahren eine atemberaubende Geschwindigkeit angenommen, so daß es weder möglich, noch sinnvoll ist, eine vollständige Übersicht zu geben. Sehr umfassende Informationen erhält man in der regelmäßigen Marktübersicht der Zeitschrift GPS World, zuletzt im Januarheft 1996.

Besonders stürmisch verläuft die Entwicklung bei den einfachen Codeempfängern für die Fahrzeugnavigation und in Form von Handgeräten. Wegen der sehr hohen Stückzahlen werden hier die Preise weiter fallen und das Niveau von wenigen Hundert DM erreichen. Da zeitgleich auch die DGPS-Dienste flächendeckend verfügbar sein werden, lassen sich mit derartigen einfachen Empfängern Koordinatengenauigkeiten von 1 bis 5 Metern on-line erreichen. Unter Einbeziehung der Trägermessungen zur Glättung der Codemessungen ohne Lösung von Mehrdeutigkeiten sind in naher Zukunft mit dieser Technik auch Genauigkeiten von 0.4 bis 1 m zu erwarten. In Verbindung mit entsprechender Software werden diese einfachen und preiswerten Empfänger in Zukunft eine wesentliche Komponente bei der Datenerfassung für GIS Anwendungen bilden.

Für geodätische Empfänger, die für alle im Vermessungswesen anfallenden Aufgaben einsetzbar sein sollen, gelten umfassendere Leistungsmerkmale und höhere Qualitätsanforderungen. Wegen des vergleichsweise kleinen Nutzermarktes ist die Zahl der Hersteller überschaubar und wird es auch bleiben. Einige wichtige Eigenschaften sind nachstehend zusammengestellt:

Ausgehend von einem leistungsfähigen Grundgerät, das die vorstehend genannten Eigenschaften besitzt, bieten die Hersteller in zunehmendem Maße Sondermodelle für spezielle Anwendungen an, wobei bestimmte Optionen aktiviert und mit Spezialsoftware verknüpft werden. Da die Produkte vorwiegend softwareorientiert sind, werden die Preise für derartige GPS Empfänger in Zukunft nicht wesentlich fallen.

2.6 DOP Maße

Im folgenden wird ein allgemeines Genauigkeitsmaß für GPS Messungen vorgestellt. Auf speziellen Beobachtungsgrößen und Auswertekonzepten sowie Fehlereinflüsse und deren Behandlung wird nicht weiter eingegegangen. Hier sei auf weiterführenden Darstellungen verwiesen (z.B. Seeber 1996, Seeber 1993).

Abbildung 5: Satellitengeometrie und PDOP

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit GPS im Navigationsmodus hängt einerseits von der Genauigkeit der einzelnen Pseudorangemessung ab, ausgedrückt durch die zugehörige Standardabweichung r , und andererseits von der geometrischen Konfiguration der benutzten Satelliten, ausgedrückt durch eine skalare Größe, die in der Navigationsliteratur mit DOP (Dilution of Precision) bezeichnet wird. Es sind verschiedene DOP-Bezeichnungen in Gebrauch. Für die Skalierung der Streckenmeßgenauigkeit in die Genauigkeit einer dreidimensionalen Positionsbestimmung gilt der PDOP-Wert mit

Es läßt sich zeigen, daß PDOP als reziproker Wert des Volumens eines Tetraeders gedeutet werden kann, das aus Satelliten- und Nutzerpositionen gebildet wird. Dies läßt sich aus Abb. 5 geometrisch leicht einsehen. Die beste geometrische Situation ist gegeben, wenn das Volumen zum Maximum und damit PDOP zum Minimum wird.

PDOP hat in den Anfangsjahren der GPS-Nutzung bei der Planung von Meßprojekten eine wichtige Rolle gespielt, da es bei begrenztem Satellitenausbau häufig Phasen mit sehr ungünstiger geometrischer Konstellation gab. Heute ist die Satellitenüberdeckung so günstig, daß die PDOP-Werte nur selten über 3 steigen und dann auch nur für sehr kurze Zeitdauer. Es ist deshalb nicht notwendig, Messungen nach den PDOP Werten zu planen oder die erzielbare Genauigkeit danach zu beurteilen, zumal im Verlauf von wenigen Minuten unterschiedliche PDOP Werte auftreten. Bei kinematischen Anwendungen und schnellen Aufnahmeverfahren können aber in Einzelfällen kurzzeitig ungünstige geometrische Situationen eintreten, so daß bei der Beurteilung von kritischen Ergebnissen die jeweiligen PDOP Werte als Beurteilungskriterium mit herangezogen werden sollten. Bei allen Planungs- und Auswerteprogrammen der führenden Gerätehersteller lassen sich die PDOP Werte mit anzeigen.

2.7 Sicherungsmaßnahmen

GPS ist bekanntlich ein militärisches Navigationssystem unter der Verantwortung des US Verteidigungsministeriums. Es wurde deshalb seit Beginn der Systementwicklung betont, daß für zivile Nutzer nur eine begrenzte Systemgenauigkeit verfügbar sein würde. Der für zivile Nutzer zugängliche 'Dienst' heißt Standard Positioning Service (SPS) während der entsprechende Dienst für 'autorisierte' Nutzer mit Precise Positioning Service (PPS) bezeichnet wird. Gegenwärtig wird für SPS Nutzer eine zweidimensionale horizontale Positionsgenauigkeit von 100 m in 95% der Zeit garantiert (FRNP 1994). PPS Nutzer haben Zugang zur vollen Systemgenauigkeit von 10 bis 20 m in drei Dimensionen. Die Angaben gelten jeweils für einen einzelnen Empfänger im Navigationsmodus.

Es sind zwei Arten von Sicherungsmaßnahmen möglich und auch aktiviert, nämlich Anti Spoofing (AS) und Selective Availability (SA). Unter Anti Spoofing versteht man die Verschlüsselung des nach wie vor bekannten P-Codes durch Überlagerung mit dem unbekannten W-Code in den geschützten Y-Code. Nur autorisierte (nahezu ausschließlich militärische) Nutzer haben Zugang zum Y-Code und können damit bei aktiviertem AS den vollen Informationsgehalt des P-Codes ausschöpfen.

Abbildung 6: Ausirkung von Selective Availabiliy (SA) auf die absolute Höhenbestimmung

Selective Availability nutzt zwei Effekte zur beabsichtigten Verringerung der Systemgenauigkeit, nämlich eine Manipulation des Datensignals (Verschlechterung der Ephemeriden, Technik) und eine künstliche Destabilisierung der Satellitenuhr (dithering, Technik). Beide Effekte erzeugen Fehler in den gemessenen Pseudoranges. Abb. 6 verdeutlicht die Auswirkung auf die Positionsbestimmung mit einem Einzelempfänger, insbesondere die rasche zeitliche Variation der Effekte.

Sowohl SA als auch AS sind gegenwärtig aktiviert, wobei es gelegentlich zu vorübergehender Deaktivierung kommt. Die Diskussionen über die Notwendigkeit und den Sinn der Sicherungsmaßnahmen halten in der amerikanischen Nutzergemeinschaft an, zumal die Auswirkungen für eine Vielzahl von Anwendungen durch DGPS voll kompensiert werden können. Es ist nicht ausgeschlossen, daß es in Zukunft zu einer Veränderung der amtlichen Politik kommt.

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