Im Prinzip werden durch die Beobachtungen Koordinaten von den Referenzstationen auf neu zu bestimmende Stationen übertragen. Beim Vorgängersystem TRANSIT wurde dieses Verfahren zutreffend mit Translocation bezeichnet. Bei GPS hat sich diese Bezeichnung nicht durchgesetzt. Stattdessen verwendet man den Begriff Differential GPS mit der üblichen Abkürzung DGPS. In neuerer Zeit beschränkt man die Bezeichnung DGPS auf Anwendungen, bei denen Korrekturdaten einer Referenzstation vom Nutzer in Echtzeit zur Positionsverbesserung genutzt werden.
Abbildung 7: DGPS mit Streckenkorrekturen
Je nach Art und Umfang der verwendeten Daten können die folgenden Vorgehensweisen unterschieden werden
Im Fall (b) und (c) werden auf den koordinatenmäßig bekannten Referenzstationen alle sichtbaren GPS-Satelliten angemessen, und aus dem Vergleich von gemessenen und aus Koordinaten und Broadcastephemeriden gerechneten Pseudoentfernungen für jeden Satelliten Entfernungskorrekturen berechnet und als Korrektursignale abgestrahlt. Der Nutzer verwendet die Korrekturen bei den von ihm angemessenen Satelliten. Bei diesem Konzept ist es nicht zwingend notwendig, daß auf der Nutzerstation dieselben Satelliten verwendet werden wie auf der Referenzstation. Abb. 7 verdeutlicht das Konzept.
Ein vereinfachtes DGPS Konzept besteht darin, daß auf der Referenzstation Positionskorrekturen berechnet und an Nutzer übermittelt werden. Aufgrund der SA Effekte muß dabei sichergestellt werden, daß beide Stationen streng dieselben Satelliten zur Positonsberechnung nutzen, weil sonst Fehler in der Größenordnung von 10 bis 20 Metern entstehen können. Das Konzept der Positionskorrekturen wird gelegentlich bei der Nutzung von einfachen Handgeräten für die Erfassung von GIS Sachdaten verwendet.
Die mit den Standard DGPS Korrekturen erreichbare Genauigkeit erfüllt zahlreiche Nutzeranforderungen. Sofern auf Nutzerseite die Positonsbestimmung aus Codemessungen noch durch Verwendung der Trägerphaseninformationen ohne Mehrdeutigkeitslösung geglättet wird (Fall (c)), läßt sich die Genauigkeit noch bis in die Größenordnung 0.5 m bis 1 m steigern, wenn die Entfernung zur Referenzstation nicht zu groß wird (etwa bis 50 km). Diese Genauigkeit reicht für viele Anwendungen bei der Erstellung von Geo-Informationssystemen aus, beispielsweise für Waldschadenskataster, Bodengütekartierungen, Bodennutzungskarten etc.
Bei höheren Genauigkeitsanforderungen im Dezimeter- und Subdezimeterbereich ist es erforderlich, auf der Nutzerseite die Trägerphasenmehrdeutigkeiten zu lösen. Dazu müssen die Trägerphasenbeobachtungen oder Trägerphasenkorrekturen von den Referenzstationen zum Nutzer übertragen werden und in Echtzeit zur gemeinsamen Auswertung mit den Nutzerdaten zur Verfügung stehen (Fall (d)). Abb. 8 vermittelt einen Überblick über die erreichbaren Genauigkeiten in den Fällen (b) bis (d).
Abbildung 8: Erreichbare Genauigkeiten beim Differential GPS
DGPS Dienste werden weltweit von kommerziellen Anbietern, von den für See-, Luft- und Landverkehr zuständigen Behörden sowie von Institutionen der Landesvermessung aufgebaut. Abhängig von den Korrekturendaten sind unterschiedliche Kommunikationsverfahren für eine Übertragung zum Nutzer geeignet. Für Strecken. und Positionskorrektionen beträgt die Übertragungsrate je nach Satellitenzahl und Zeittakt 50 bis etwa 200 bps (Bit pro Sekunde). Grundsätzlich eignen sich somit speziell zugeteilte oder genehmigungsfreie Frequenzen (terrestrischer Funk) sowie bestehende Kommunikationstechniken wie Satellitenkommunikation, Mobilfunk, Rundfunk und Fernsehen.
DGPS Korrekturen sind bis zu einer Entfernung von einigen 100 km von der Referenzstation soweit repräsentativ, daß eine Relativgenauigkeit von wenigen Metern erzielt werden kann. Bei größeren Entfernungen muß ein flächenhaftes Fehlermodell durch Beobachtungen auf Monitorstationen berechnet und den Nutzern mit den Korrekturdaten übermittelt werden. Entsprechende Konzepte sind unter der Bezeichnung Wide Area Differential GPS (WADGPS) in der Entwicklung.
Für die höheren Genauigkeiten auf der Grundlage von Trägerphasen beträgt die erforderliche Datenrate etwa 2,400 bps, so daß Übertragungskanäle im Dezimeter- oder Meterband (VHF, UHF) zur Verfügung stehen müssen. In Betracht kommt auch eine Verbindung über Mobilfunk sowie über geostationäre Satelliten. Die wesentlichen Engpässe bei der Umsetzung der präzisen DGPS Konzepte (PDGPS) liegen folglich in der Verfügbarkeit der Kommunikationskanäle. In den meisten Ländern wird gegenwärtig an der Bereitstellung geeigneter Lösungen gearbeitet. Besonders anspruchsvoll ist eine Nutzung präzisen DGPS zur schnelle Echtzeitbestimmung von Detailpunkten. Hierzu müssen leistungsfähige Algorithmen der schnellen Mehrdeutigkeitslösung über größere Entfernungen zur Verfügung stehen. Neuere Untersuchungen (Seeber u.a. 1996) bestätigen, daß OTF Lösungen über Entfernungen bis zu 50 km möglich sind, wobei die erforderliche Meßdauer noch mehrere Minuten beträgt.
Für einen flächendeckenden PDGPS Dienst müssen im Abstand von etwa 50 bis 70 km Referenzstationen eingerichtet werden, die kontinuierlich sämtliche geodätisch relevanten GPS Daten aufzeichnen und entweder vollständig oder in Form einer geeigneten Untermenge an die Nutzer übermitteln. Die Übermittlung kann entweder kontinuierlich über Funk oder gezielt für einzelne Nutzer auf Abfrage, ggf. auch zeitlich versetzt, über spezielle Datenkanäle erfolgen. Operationelle Meßverfahren sind in Vorbereitung, wobei die Vernetzung von Referenzstationen einen hilfreichen Beitrag leisten wird.
Die DGPS Positionen unter Verwendung von Streckenkorrekturen stehen dem Nutzer aufgrund der geringen Anforderungen an die Datenübertragung und der eindeutigen Beobachtungsgrößen in quasi Echtzeit am Empfänger zur Verfügung. Präzise DGPS Anwendungen basierend auf Trägerphaseninformation benötigten dagegen lange Beobachtungszeiten und aufwendige Hardware um das Mehrdeutigkeitsproblem zu lösen. Neuere Entwicklungen im Bereich des präzisen kinematischen GPS haben zu Veränderungen in statischen Anwendungen geführt. Es sind nun schnelle und präzise Meßverfahren in Echtzeit möglich.
3.4 Statische und kinematische Messungen
In der ursprünglichen Konzeption wurde GPS entweder für die Navigation ohne Mehrdeutigkeitsbestimmung im mittleren Genauigkeitsbereich oder für die statische Positionsbestimmung in geodätischen Kontrollnetzen mit Mehrdeutigkeitsbestimmung und mit der Zielsetzung von cm-Genauigkeit genutzt. Um bei der statischen Anwendung die Mehrdeutigkeiten zu lösen, war je nach Stationsentfernung eine Beobachtungsdauer von einer bis zu mehreren Stunden erforderlich. Es galt deshalb als ein großer Durchbruch, als Remondi 1984 erstmals Methoden vorstellte, mit denen eine Mehrdeutigkeitslösung bereits nach wenigen Minuten möglich wurde. Diese 'schnellen' Verfahren wurden ursprünglich alle als 'kinematische' Verfahren bezeichnet und erhielten später je nach Methode und Anwendung z.T. sehr bizarre und auch mißverständliche Namen. Aus heutiger Sicht lassen sich die schnellen GPS Methoden in drei Gruppen einteilen
Bei den schnellen statischen Verfahren geht es darum, die Meßzeit auf den Aufstellungspunkten möglichst zu verkürzen. Dies gelingt durch die Nutzung leistungsfähiger Mehrdeutigkeitssuchalgorithmen, die um so schneller arbeiten, je mehr Satelliten beobachtbar sind. Die erforderliche Meßdauer hängt von der Entfernung zur Referenzstation ab. Bei wenigen km Punktentfernung, bei sorgfältiger Aufstellung und bei einer Meßzeit von wenigen Minuten bis zu maximal 15 Minuten wird eine Genauigkeit von 1 cm erreicht. Bei älteren Meß- und Auswertesystemen besteht noch die Option, Punkte im Abstand von etwa 1 Stunde doppelt für jeweils etwa 5 Minuten zu besetzen. Dieses auch als 'Pseudokinematik' bezeichnete Verfahren nutzt die veränderte Satellitengeometrie zwischen den beiden Aufstellungen als Hilfsmittel zur Mehrdeutigkeitslösung aus. Bei moderneren Systemen werden verstärkt Mehrdeutigkeitssuchalgorithmen genutzt, so daß die Doppelaufstellung für die Mehrdeutigkeitsfindung nicht mehr erforderlich ist. Manche Systeme zeigen an, wann genügend Daten für die sichere Mehrdeutigkeitslösung gesammelt worden sind.
Bei den halbkinematischen Verfahren werden zunächst die Mehrdeutigkeiten mit Hilfe einer Startprozedur, beispielsweise durch Antennentausch auf zwei dicht benachbarten Stativen, bestimmt und sodann zu den aufzunehmenden Punkten übertragen, auf denen die Antenne kurz aufgehalten wird. Man spricht deshalb auch von Stop and Go Verfahren. Während des Transportes muß die Meßverbindung zu mindestens vier Satelliten beibehalten werden, andernfalls muß man zu einem bereits bestimmten Punkt zurückkehren. Die Genauigkeit der aufzunehmenden Punkte beträgt je nach Sorgfalt und Dauer der einzelnen Aufstellung 1-3 cm.
Bei den reinen kinematischen Verfahren geht es um die Bestimmung der Antennentrajektorie, wobei hierzu auch feste Aufstellungsorte gehören können. Startprozeduren sind nicht erforderlich, da die Mehrdeutigkeiten aus den Daten während der Antennenbewegung abgeleitet werden können (On the Fly (OTF) oder On The Way (OTW) Algorithmen). Diese Vorgehensweise ist erforderlich, um auch Anwendungen im Flugzeug oder auf Schiffen zu ermöglichen. Die OTF/OTW-Techniken sind heute so leistungsfähig geworden, daß auch für reine statische Anwendungen 'kinematische' Methoden verwendet werden. Dies bedeutet konkret, daß Mehrdeutigkeiten nicht mehr übertragen werden müssen, wie beim 'Stop and Go' Verfahren, sondern unmittelbar auf den zu bestimmenden Punkten nach wenigen Sekunden Meßzeit gelöst werden. Falls auf den eigentlichen Punkten nicht genügend Satelliten zur schnellen Mehrdeutigkeitslösung sichtbar sind, kann die Lösung in benachbartem freieren Gelände auf einem beliebigen Punkt initialisiert werden und dann bei Empfang von mindestens vier Satelliten auf dem zu bestimmenden Punkt kurz fortgesetzt werden. OTF/OTW-Techniken werden in Zukunft bei der Vermessung mit GPS wegen der universellen Einsetzbarkeit eine zunehmend wichtige Rolle spielen.
Durch die Entwicklung der OTF-Techniken ist es möglich geworden, Mehrdeutigkeiten in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit zu lösen, wenn dafür gesorgt wird, daß der auf der Referenzstation erzeugte Datensatz einschließlich der Trägerphasen über eine genügend leistungsfähige Telemetrie zur Nutzerstation übertragen wird. Das Verfahren wird allgemein als Real Time Kinematic (RTK) bezeichnet. Der erhebliche Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den sonstigen GPS Methoden liegt darin, daß die endgültigen Punktkoordinaten im Felde erzeugt werden und daß damit auch Absteckungen nach Koordinaten möglich werden. Im Grundsatz ist es nicht mehr nötig, die umfangreichen GPS Rohdaten für die Nachbearbeitung im Büro zu archivieren. In Verbindung mit Geoinformationssystemen gelingt es, die Sachdaten bereits vor Ort unmittelbar mit Positionsinformationen zu verknüpfen. Da die Positionsinformationen kontinuierlich mit hoher zeitlicher Auflösung (bei modernen Systemen mit 5 Hertz) bereitgestellt werden, eignet sich die RTK Technologie für eine Vielzahl von Überwachungs- und Steuerungsaufgaben. Wenn der Abstand zur Referenzstation nicht mehr als 2-3 km beträgt, was bei der Vielzahl der Anwendungen der Fall sein wird, lassen sich die Mehrdeutigkeiten in der Regel in quasi Echtzeit nach nur wenigen Sekunden Meßdauer erzeugen. Die erzielbare Genauigkeit beträgt etwa 1cm.
Abbildung 9: Echtzeitkinematik mit GPS
Abb. 9 verdeutlich die Zusammenhänge als vereinfachte Prinzipskizze. Bei der Absteckung werden die Zielpunkte mit Hilfe eines Display erreicht. Bei der Punktaufnahme muß der Antennenstab kurzzeitig auf den Punkten zentriert werden. Die Referenzstation kann auf einem koordinierten Altpunkt aufgebaut werden. Sie kann aber auch beliebig an einer für den Satellitenempfang günstigen Stelle im Arbeitsgebiet frei stationiert werden, wenn mit dem bewegten Empfänger zwei bis drei in der Nähe des Arbeitsgebietes liegende Altpunkte aufgehalten werden.
In vielen Fällen wird man ergänzend ein elektronisches Tachymeter zur Aufnahme und/oder Absteckung einsetzen, da insbesondere in bebautem Gelände manche Punkte (z.B. Hausecken) für den Einsatz von GPS ungünstig sind oder da zu starke Signalabschattungen durch Gebäude oder Bewuchs entstehen. Es können dann nach dem RTK Verfahren schnell und genau die Ausgangskoordinaten und eine Anfangsrichtung für den Tachymeterstandpunkt bestimmt werden.
Alle führenden Hersteller für geodätische GPS Empfänger haben inzwischen RTK Ausrüstungen auf den Markt gebracht. Die Systeme bestehen in der Regel aus zwei GPS Empfängern, einer Telemetrie zur Datenübertragung und der zugehörigen Software.
In der Bundesrepublik Deutschland werden von unterschiedlichen Institutionen DGPS- und präzisese DGPS Dienste aufgebaut. Eine umfassende Übersicht findet sich bei Bichtemann und Hankemeier (1993), Hankemeier (1995), GIBS 1996. Als Beispiel für bestehende Dienste in der Bundesrepublik wird das DGPS-Konzept der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) vorgestellt, das alle DGPS Verfahren und Genauigkeitsbereiche umfaßst. Die AdV hat im Mai 1995 beschlossen einen gemeinsamen, einheitlichen, permanenten DGPS Dienst aufzubauen. Der DGPS-Dienst unterteilt sich in
Abbildung 10: DGPS-Referenzstation EPS-LW von Telekom und IfAG (GIBS 1996)
Der Echtzeit-Positionierungs-Service sendet Streckenkorrektion über Rundfunk aus, wodurch die Anzahl von Nutzern für den flächendeckenden Dienst unbeschränkt ist. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen im 1-3 m Bereich oder besser. Der EPS-LW des Institus für Angewandte Geodäsie (IfAG) nutzt dabei den Langwellensender Mainflingen der Telekom. Aufgrund der Mitarbeit des IfAG in der AdV, ist der Dienst mit den weiteren DGPS Aktivitäten der AdV abgestimmt. Abb. 10 zeigt die Überdeckung der Referenzstation, die ab Juli vom Testbetrieb in den Regelbetrieb wechselt.
Die AdV steht zur Zeit in Verhandlungen mit den Rundfunkanstalten um einen flächendeckenden EPS-UKW einzurichten. Das Landesvermessungsamt Nordrhein-Westfalen hat mit dem Westdeutschen Rundfunk ein Verfahren entwickelt, das Streckenkorrekturen über den UKW-Hörfunk für beliebig viele Nutzer bereitstellt. Unterschiedliche Rundfunkanstalten sind bereits an dem Testbetrieb beteiligt; Abb. 11 gibt den Stand vom 1995 wieder. Bis Ende 1996 soll der flächendeckende Dienst erfolgen. Weitere Details zum EPS finden sich in GIBS 1996.
Abbildung 11: Sender des DGPS-Dienstes EPS-UKW der AdV (GIBS 1996)
Der HEPS bietet die Möglichkeit Trägerphasenkorrekturen einer Referenzstation zu empfangen und ermöglicht somit präzise GPS Anwendungen. Um die erforderlichen Datenmengen in Echtzeit übertragen zu können, werden Frequenzen im 2 m Band (VHF) für die Übertragung genutzt. Das für die Frequenzvergabe zuständige Bundesamt für Post und Telekommunikation (BAPT) hat fünf Frequenzen für einen Testbetrieb freigegeben. Abb. 12 zeigt die Überdeckung von 1995, die sich kontinuierlich erweitert.
Die Daten der Referenzstationen der Dienste können zusätzlich auf unterschiedlicher Weise genutzt werden. Ein sehr einfaches Konzept besteht darin, gespeicherte Daten nachträglich für die präzise Koordinatenberechnung von Nutzerstationen bereitzustellen (GHPS). Weiterhin können die Daten bei bestehender Datenverbindung zeitlich verzögert genutzt werden (GPPS). Bereits mit ca. 30minütigen Beobachtungen lassen sich somit präzise Koordinaten eines im Arbeitsgebiet vom Nutzer aufgebauten lokalen Referenzempfängers bestimmen, an den Detailpunkte mit schnellen Meßverfahren über kurze Entfernungen angeschlossen werden.
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Abbildung 12: Sender des DGPS-Dienstes HEPS der AdV (GIBS 1996)
Bei der Übertragung von Entfernungskorrekturen wird ein international vereinbartes Datenformat, das RTCM Format (Radio Technical Committee for Marine Services) verwendet. Die Version RTCM 2.1 enthält bereits ein Datenformat für Trägerphasenkorrekturen, wohingegen die Version RTCM 2.0 nur Streckenkorrektionen ermöglicht. Für den Austausch von GPS Beobachtungsdaten wird das internationale RINEX Format (Receiver Independent Exchange Format) benutzt. Tab. 2 faßt die einzelnen Merkmale der DGPS Konzeptes der AdV nochmals zusammen.
| Dienst | Verfügbarkeit |
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| EPS | Real Time |
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| HEPS | Real Time |
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| GPPS | Post-Processing (15 min) |
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| GHPS | Post- Processing |
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In der Landesvermessung hat sich GPS zur nahezu ausschließlichen Methode für die Punktbestimmung in Grundlagenetzen entwickelt. Überall auf der Welt entstehen kontinentale und nationale GPS Netze, die in Verbindung mit dem globalen ITRF homogene und hochgenaue Punktfelder für Verdichtungs- und Anschlußmessungen bereitstellen. Auf regionaler Basis wächst die Zahl der Ausschreibungen für die Erstellung von GPS Netzen als Grundlage für Geoinformationssysteme und Kataster.
Einen besonderen Aspekt stellt die Nutzung von GPS für die Höhenbestimmung dar. Da GPS dreidimensionale Informationen bereitstellt, fällt die Höhenkomponente mit ab, wenn auch mit etwa zweifach höherer Ungenauigkeit als die Lagekomponenten. GPS Höhen sind aber Höhen über dem Ellipsoid und damit rein geometrische Größen. Zur Umwandlung in die üblicherweise im Schwerefeld definierten Gebrauchshöhen sind Informationen über das Geoid erforderlich. Für Deutschland existieren inzwischen Geoidberechnungen mit etwa 1 cm Genauigkeit. Für die meisten Weltgegenden sind die vorliegenden Geoidinformationen aber noch mit Fehlern im Meterbereich behaftet. GPS kann deshalb zur Zeit nur mit erheblichen Einschränkungen als Ersatz für das aufwendige Nivellement genutzt werden. Unberührt hiervon ist der Einsatz von GPS zur Bestimmung von Höhenänderungen aus Wiederholungsmessungen, da hier das Geoid keine Rolle spielt.
Bei Katastervermessungen wird GPS bisher verhältnismäßig wenig eingesetzt und zumeist ausschließlich zur Bestimmung von Aufnahmepunkten. Mit der zunehmenden Verbreitung von RTK Systemen kann man hier auch verstärkt Einsätze für die Aufnahme von Detailpunkten (Grenzpunkte, Gebäude) erwarten. Eine sehr stürmische Entwicklung zeichnet sich bei der Nutzung von GPS zur Einrichtung und Laufendhaltung von Geoinformationssystemen ab, insbesondere bei der Erfassung von Leitungen, Gleisanlagen, Verkehrswegen etc. In Verbindung mit Kommunikationseinrichtungen und digitalen Gelände- und Bodeninformationen bildet GPS den Positionssensor zur Steuerung und Überwachung von Maschinen beispielsweise im Tagebau, Straßenbau, auf Lagerplätzen und in der automatisierten Landwirtschaft.
In der Ingenieurvermessung finden sich Anwendungen bei der Anlage von Kontrollnetzen für Bauwerke aller Art wie Tunnel, Brücken, Dämme, Straßen, Kanäle, Eisenbahnlinien. Eine Herausforderung für die nahe Zukunft besteht darin, das Genauigkeitsniveau von GPS Messungen im Nahbereich auf 1 mm oder besser zu steigern. Dies erfordert die Beherrschung der wesentlichen Restfehlerquellen, nämlich den Einfluß der Troposphäre, die Variation der Antennenphasenzentren und die Auswirkung von Multipath. Man kann erwarten, daß die kommenden Jahre hier wesentliche Fortschritte bringen werden. GPS wird dann auch ein Standardwerkzeug in der Ingenieurvermessung sein.
In der Photogrammetrie hat GPS bereits heute einen festen Platz eingenommen. Neben der Koordinatenbestimmung für Bodenpaßpunkte wird GPS regelmäßig zur Bildflugnavigation und zur Bestimmung der Kamerakoordinaten in der Aerotriangulation genutzt. Auf diese Weise kann auf etwa 90% der Bodenpaßpunkte verzichtet werden. Zukünftige Fernerkundungssatelliten werden ebenfalls GPS Empfänger tragen, so daß die Auswertung der Daten zur Kartenherstellung und Kartenfortführung in kartographisch wenig erschlossenen Ländern erleichtert wird.
In der Hydrographie kann GPS zur präzisen Höhenbestimmung der Vermessungsboote genutzt werden, um die Zuordnung der Lotungsmessungen auf eine klar definierte Höhenbezugsfläche zu erleichtern. Operationelle Methoden sind hier in naher Zukunft zu erwarten.
Beutler G., G. Hein, W.G. Melbourne, G.Seeber (Hrsg.): GPS Trends in Precise Terrestrial, Airborne, and Spaceborne Applications. Symposium No. 113, Boulder, USA, July 3-4, 1995, Springer-Verlag 1996.
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GPS World: News and Applications of the Global Positioning System. Cleveland Ohio, USA; erscheint monatlich.
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Aufsatzes "Methodik der GPS- und DGPS-Messung"
Anschrift der Verfasser :
Univ.Prof. Dr.-Ing. Günter Seeber,
Dipl.-Ing. Martin Schmitz,
Universität Hannover
Institut für Erdmessung
Nienburger Str. 5
30167 Hannover
