Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland
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Riecken/Becker, Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland Fachbeitrag Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland Jens Riecken und Paul Becker Zusammenfassung will be possible. In the future, this service could also replace Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie und die Bun- the established SAPOS-HEPS. desländer prüfen die Möglichkeit, gemeinsam einen neuen Satellitenpositionierungsdienst zu etablieren. Dieser Dienst Schlüsselwörter: SAPOS, GNSS, Raumbezug, Qualitäts soll auf dem Verfahren der Präzisen Einzelpunkt-Bestimmung management, PPP-RTK (Precise Point Positioning (PPP)) basieren und mit einem re- gionalen GNSS-Netz verdichtet werden. Damit würde die PPP- Lösung um einen Real Time Kinematik-Ansatz (RTK) erweitert 1 Einleitung werden. Die neue PPP-RTK-Anwendung soll nach Möglichkeit die Vorteile des globalen PPP-Dienstes (Broadcast-Fähigkeit Die globalen Satellitenpositionierungssysteme (Global und Datenraten-Effizienz) mit den Vorteilen des regionalen Navigation Satellite Systems (GNSS)) ermöglichen viel- Netz-RTK-Dienstes so vereinen, dass mittels PPP-Technologie fältige Nutzungen, die vor wenigen Jahren noch undenk- Zentimeter-Echtzeit-Genauigkeit mit kurzen Konvergenzzei- bar waren und die heute und in Zukunft ganz neue inter- ten erreicht werden kann und damit zusätzliche Nutzungen disziplinäre Denkansätze erlauben. Aufgrund der hohen im »Massenmarkt« der präzisen Navigation ermöglicht wer- Positionierungsgenauigkeit und einfachen Nutzung, die den. Perspektivisch könnte dieser Dienst dann auch den etab- sich mittels GNSS erreichen lassen, haben sich diese Sys- lierten SAPOS-HEPS ersetzen. teme neben ihrer Rolle bei geodätischen Anwendungen auch zu einem Instrument für Logistik, Transport, Luft- Summary fahrt und standortbezogene Dienste (Location Based Ser- The Federal Agency for Cartography and Geodesy and the vices) entwickelt. German Länder are examining the possibility of jointly estab- Den vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten einer präzi- lishing a new satellite positioning service. This service will be sen Satellitennavigation steht jedoch ein beträchtlicher based on the method of precise point positioning (PPP) in a regional GNSS networks. This would extend the PPP solution by a Real Time Kinematics (RTK) approach. It is the goal, to combine the advantages of the global PPP service (broadcast capability and data efficiency) with the advantages of the regional network RTK service. In such a way PPP technology should achieve centimeter real-time accuracy with short con- vergence times. Uses in the mass market of precise navigation Abb. 1: Beiträge zur globalen geodätischen Beobachtungs infrastruktur: Die kombinierte Infrastruktur ermöglicht die Bestimmung der globalen geodätischen Referenz rahmen sowie die Bestimmung des Schwerefelds und der Rotation der Erde. Die geodätischen Raumverfahren Globales Navigationssatellitensystem (GNSS), Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Satellite Laser Ranging (SLR), Lunar Laser Ranging (LLR) und Doppler Orbito graphy and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) kommen zum Einsatz. Die Bodennetze und Na vigationssatelliten sind entscheidend für die Aufrecht erhaltung des Referenzrahmens, der für eine hochgenaue Positionierung erforderlich ist. Die LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) überwachen den Meeresspiegel (mit Satel litenaltimetrie), die Eisdecke, die Wasserspeicherung an Land, den atmosphärischen Wassergehalt, die hochauf lösende Oberflächenbewegung und Schwankungen des Schwerefelds der Erde. Quelle: www.iag-ggos.org DOI 10.12902/zfv-0304-2020 © Wißner-Verlag 145. Jg. 4/2020 zfv 241
Fachbeitrag Riecken/Becker, Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland ufwand auf der Seite der Betreiber der Systeme und A 2 PPP, der globale Positionierungsdienst Dienste gegenüber. Die zu bestimmende Position des An- wenders leitet sich im Wesentlichen aus der Position der Bei dem PPP-Verfahren, an dessen Entwicklung und Ver- sich auf ihren Flugbahnen bewegenden Satelliten ab. breitung sich das BKG seit Jahren aktiv beteiligt, han- Dazu ist die fortwährende genaue Bestimmung und Vor- delt es sich um ein absolutes Positionierungsverfahren. hersage dieser Satellitenflugbahnen notwendig, die nur Mittels Berechnung von Korrekturen zu den aus GNSS mit Hilfe von global verteilten geodätischen Observa- direkt ausgestrahlten Signalen kann eine deutliche Ver- torien und permanenten GNSS-Stationen und Analyse besserung der Positionierung und damit schon eine recht zentren realisiert werden können. In Deutschland verfügt genaue Navigation auf der gesamten Erde ermöglicht das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie in Wettzell werden. Die erreichbare Genauigkeit liegt bei wenigen im Bayerischen Wald über ein solches Observatorium. Zentimetern (Abb. 5). Um alle notwendigen Parameter zur Bestimmung der Der für PPP grundlegende Ansatz beruht auf der »Mo- Satellitenbahnen zu erhalten und diese zuverlässig be- dellierung aller Fehleranteile«. Dabei werden ursprüng- rechnen zu können, werden auf geodätischen Observato- liche Fehleranteile der absoluten Positionierung durch in rien unterschiedliche Messtechniken angewandt. Bedenkt Echtzeit (z. B. über das Internet oder Broadcast-Verfahren) man zum Beispiel, dass die sich um die Erde bewegen- ausgestrahlte Satellitenbahndaten und Uhrenkorrekturen den Satelliten mit dieser nicht fest verbunden sind, die deutlich reduziert. Es handelt sich also um die Positionie- Erde aber selber im Raum unterschiedlichen Bewegungen rung eines Rovers mit Hilfe von Zustandsinformationen wie der Erdrotation ausgesetzt ist, müssen solche Bewe- des Satellitensignalraumes (SSR). Darunter fallen neben gungen ebenfalls erfasst und berücksichtigt werden. Zur den genannten Satellitenbahn- und Uhrenkorrekturen Bestimmung dieser Erdorientierungsparameter wird das z. B. atmosphärische Korrekturen der Iono- und Tropo- Verfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) sphäre. Charakteristisch für das PPP-Verfahren ist, dass angewandt. Auch weitere Messtechniken, wie das Satel- man von dem Ansatz, alle Korrekturen in Bezug auf die lite Laser Ranging (SLR), welches mittels Laufzeitmes- Messungen der Referenzstationen summarisch im Beob- sungen von ausgestrahlten Laserpulsen die Entfernung achtungsraum (OSR) zu betrachten (DGNSS), abkehrt und zwischen Erde und Satellit bestimmt, kommen zum Ein- die jeweiligen Fehleranteile einzeln modelliert. Zum Ge- satz. Die Analyse und Kombination dieser Messverfahren nerieren der Korrekturen im Zustandsraum werden glo- liefert die Grundlage, auf der die Positionierung mittels bal verteilte Referenzstationen benötigt. Je engmaschiger GNSS aufbaut. die Referenzstationen verteilt sind, desto besser werden Stellt man an die Positionierung höhere Genauigkeits- die regionalen und lokalen Einflüsse im Zustandsraum anforderungen als mit offenen Diensten der GNSS-Be- repräsentiert. Im Gegensatz zu dem etablierten DGNSS- treiber erreichbar sind, gewöhnlich besser als 5 bis 10 m, Verfahren, das derzeit im Katasterwesen angewandt wird, muss durch einen Positionierungsdienstbereitsteller ein kann man heutzutage die erforderliche Genauigkeit von zusätzlicher Aufwand betrieben werden. Bei Genauig- 1 bis 2 cm mit dem PPP-Ansatz noch nicht erreichen. keitsanforderungen, die im Dezi- oder gar Zentimeter- bereich liegen, ist zusätzlich die Anwendung von Korrek- turverfahren notwendig. Dabei werden die direkt von den 3 SAPOS, der Satellitenpositionierungsdienst Satelliten ausgestrahlten Signale durch ein verdichtetes der deutschen Landesvermessung RTK-Netz von permanenten GNSS-Stationen mit bekann- ter Position in Echtzeit beobachtet und aus den ermittel- Der Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Lan- ten Ungenauigkeiten gegenüber der bekannten Position desvermessung SAPOS wurde Mitte der 1990er Jahre Korrekturen zu den ausgestrahlten Signalen berechnet. konzipiert und vor knapp 20 Jahren bundesweit ein- Dies kann grundsätzlich entweder durch differenzielle geführt. SAPOS wurde als Infrastrukturmaßnahme des Positionierung (DGNSS) erfolgen, indem direkt die Beob- Staates durch die Bundesländer und als Substitut der achtungen physischer oder virtueller Referenzstationen herkömmlichen (Lage-)Festpunktfelder eingerichtet. genutzt werden (Observation State Representation (OSR)), Die Kernklientel dieses staatlichen Positionierungs- oder durch das Anbringen von aus einem Stationsnetz dienstes ist das deutsche Liegenschaftskataster, da mit berechneten Korrekturparametern einzelner Fehlerquel- dem SAPOS-HEPS-Dienst die erforderliche Lagegenauig- len (State Space Representation (SSR)) im Verfahren der keit von 1 bis 2 cm erreicht wird. SAPOS hat die geo- präzisen Einzelpunktbestimmung (PPP). dätischen Messverfahren und die Implementierung und Beide Verfahren haben Stärken und Schwächen. Mit Bereitstellung eines amtlichen Raumbezugssystems maß- einem neuen Verfahren sollen die Stärken beider Ansätze geblich verändert und als erster multifunktionaler dif- genutzt werden. Dieser Precise Point Positioning – Real ferenzieller GNSS-Dienst den Aufbau und die Entwick- Time Kinematic (PPP-RTK) genannte Ansatz wird zahl- lung vergleichbarer Dienste in ganz Europa und darüber reiche neue Massenmarktanwendungen, z. B. zur Positio- hinaus wesentlich beeinflusst. Der Markenname SAPOS nierung und Kontrolle autonomer Fahrzeuge sowie gene- wurde 1997 beim Deutschen Patentamt eingetragen. Die rell zur Maschinensteuerung, erlauben. Akzeptanz von SAPOS wird auch durch das gemeinsame 242 zfv 4/2020 145. Jg. © Wißner-Verlag
Riecken/Becker, Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland Fachbeitrag Tab. 1: SAPOS und Open Data, Stand 2020 Satellitenpositionierungsdienstes SAPOS im Sinne von Open Data Sonderkondition Open Data der Wirtschaft kostenfrei zur Verfügung ge- Bundesland (Jahr) Landwirtschaft stellt werden, um die Potenziale von Smart Farming, wie z. B. Verbesserung der Ressourceneffizienz und Ressour- Baden-Württemberg 2020 censchutz, schneller realisieren zu können« (Agrarminis- Bayern Ja terkonferenz 2017). In der Folge wird SAPOS in fast allen Berlin 2015 Bundesländern zu Sonderkonditionen für die Landwirt- Brandenburg 2020 schaft und zunehmend auch als Open Data für jedermann Bremen 2019 bereitgestellt. Mit Stand Mitte 2020 stellt sich dieses wie in Tab. 1 dar. Hamburg Dabei wird SAPOS mit einem deutlich anderen Nutzer- Hessen 2019 verhalten konfrontiert. Das zeigt sich am Beispiel Nord- Mecklenburg-Vorpommern rhein-Westfalens, das nach einem Jahr Open Data bereits Niedersachsen 2019 mehr Nutzung in der Landwirtschaft als für Liegen- schaftsvermessungen aufweist. Darüber hinaus ist auch Nordrhein-Westfalen 2018 das eigentliche Nutzungsverhalten in der Landwirtschaft Rheinland-Pfalz Ja signifikant anders und startet und endet häufig mit dem Saarland Ja Gebrauch der jeweiligen Landmaschine (Abb. 2 rechts). Sachsen 2019 Im März 2020 verzeichnete der SAPOS-HEPS-Dienst in Sachsen-Anhalt Ja Nordrhein-Westfalen teilweise 1.000 parallele Einwahlen bei bis zu 13.000 Einwahlen am Tag. Auf die landwirt- Schleswig-Holstein Ja schaftliche Nutzung entfallen dabei über 80 %. In Abb. 3 Thüringen 2017 sind deutlich die landwirtschaftlich genutzten Flächen in Nordrhein-Westfalen im Gegensatz zu den Waldgebieten Positionspapier der AdV und des Bundes der Öffentlich im südöstlichen Landesteil zu erkennen. bestellten Vermessungsingenieure (BDVI) unterstrichen, in dem SAPOS als unverzichtbar für die Rechtssicher- heit im Liegenschaftskataster bezeichnet wird (AdV, BDVI 4 Hochgenaue Positionierung: PPP-RTK-Technik 2005). Dieses leitet sich einerseits aus der hohen Genau- igkeit und andererseits aus der Bereitstellung des amtli- SAPOS arbeitet nach dem Grundprinzip der differen- chen Raumbezugs im Rahmen des gesetzlichen Auftrags ziellen Positionierung mit GNSS. Für die SAPOS-Refe- der Länder ab. Für eine Betrachtung des SAPOS als Geo- renzstationen werden zum einen hochgenaue räumliche dateninfrastrukturkomponente sei auf Riecken und Kur- 3D‑Koordinaten bestimmt (Sollpositionen). Zum anderen tenbach (2017) verwiesen. werden auf diesen Stationen ständig absolute GNSS-Po- Die fast ausschließliche Nutzung des SAPOS für Lie- sitionsbestimmungen durchgeführt, sodass die Differenz genschaftsvermessungen änderte sich mit Beschluss der der Distanzen vom Satellit zum Empfänger (Soll – Ist) er- Agrarministerkonferenz am 31.03.2017. Diese forder- mittelt und als Korrektur an benachbarte Satellitenemp- te zur Stärkung der Innovation und Digitalisierung der fänger weitergegeben werden kann. Dies erfolgt nahe- Landwirtschaft, »dass die Daten und Korrektursignale des zu in Echtzeit und ist die Basis für das »RTK-Verfahren«. Abb. 2: Nutzung und Nutzerver halten von SAPOS in der Geobasis NRW Landwirt schaft © Wißner-Verlag 145. Jg. 4/2020 zfv 243
Fachbeitrag Riecken/Becker, Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland des »PPP« zur genauen, quasi ab soluten Positionsbestimmung mit- tels GNSS. Für die hochgenauen Anforderungen des Liegenschafts- katasters von 1 bis 2 cm in der Lage müssen auch kleinräumige atmo- sphärische Einflüsse (Iono- und Tro- posphäre) modelliert werden. Diese können z. B. aus regionalen Netzen wie der SAPOS-Infrastruktur abge- leitet werden. Abb. 4 zeigt die gegenwärtigen und das mögliche zukünftige Ver- Geobasis NRW fahren der hochgenauen satelliten gestützten Positionierung. Der un- tere Bereich (grün) zeigt die »klas- Abb. 3: SAPOS-HEPS-Nutzung, März 2020 sische« Situation, bei der Daten der Referenzstationen in den Vernet- Die Korrekturdaten werden den Anwendern im Feld über zungszentralen gesammelt, bearbeitet (Mehrdeutigkeits- digitale Kommunikationswege (insbesondere über mobi- lösung) und differenzielle Korrekturdaten bereitgestellt les Internet) zur Verfügung gestellt. werden. Der Nutzer positioniert sich bezüglich der nächs- Eine Schwäche des heutigen Netz-RTK-Verfahrens, auf ten Referenzstation. Im oberen Bereich ist das globale dem SAPOS-HEPS basiert, ist die Notwendigkeit einer bi- PPP-Verfahren skizziert. Gestrichelt ist das Zielmodell direktionalen Kommunikation zwischen dem Nutzer im dargestellt, bei dem neben den Daten globaler vor al- Feld und der Vernetzungszentrale. Dies bedingt, dass lem die Informationen regionaler Netze gemeinsam in man in der Praxis auf die Nutzung des mobilen Internets PPP‑RTK-Ansätzen verwendet werden und zu hochge- (Ntrip) bzw. Mobilfunks beschränkt ist. Die Verfügbarkeit nauen Lösungen führen. PPP-RTK-Anwendungen ver- des mobilen Internets ist im ländlichen Raum oder bei einen die Vorteile regionaler Netz-RTK-Dienste (kurze Überlastung der Mobilfunkzelle ein limitierender Faktor Konvergenzzeiten und Zentimeter-Echtzeit-Genauigkeit) von Netz-RTK-Diensten. Bidirektionale Netz-RTK-Dien- mit denen globaler PPP-Dienste (Broadcast-Fähigkeit ste sind außerdem im Hinblick auf die steigende Anzahl und Datenraten-Effizienz). Darüber hinaus ermöglichen an Echtzeit-Zentimeter-Anwendungen und Nutzern nur sie die Nutzung neuer Übertragungswege, zum Beispiel begrenzt skalierbar. des DAB+ und des mobilen Internets (Ntrip/5G) und da- Die Weiterentwicklung von satellitengestützten Posi- mit auch neue Massenmarktanwendungen. tionierungsverfahren konzentriert sich auf die Technik Nutzung: hochgenaue Positionierung RS ohne Zugang zu regionalen Diensten Globales Netz Bahndaten Uhrendaten Analyse- Biases Broadcast Weltweite RS zentrum PPP Nutzer RS Bahndaten Broadcast Regionale Regionale PPP-RTK Uhrendaten Fehlermodelle Nutzer Biases RS 1–2 cm,
Riecken/Becker, Ein neuer Satellitenpositionierungsdienst für Deutschland Fachbeitrag 5 Erwartungen an einen PPP‑RTK-Positionie res als Paralleldienst zum etablierten SAPOS-HEPS zu rungsdienst als Bund-Länder-Entwicklung sehen. Dies stellt auch die Planungssicherheit bestehen- der HEPS-Kunden zur Nutzung ihrer GNSS-Empfänger Für die Länder stellen das koordinatenbasierte Liegen- sicher. Gleiches gilt für den PPP-Dienst des BKG. schaftskataster zur Sicherung des Grundeigentums sowie die effiziente Durchführung der dazu erforderlichen Lie- genschaftsvermessungen die entscheidende Legitimation 6 Ausblicke für den Betrieb und die Bereitstellung des amtlichen Sa- tellitenpositionierungsdienstes SAPOS dar. Hierfür ist die GNSS beschleunigt seit Jahren die Georeferenzierung Genauigkeit des derzeitigen HEPS-Dienstes (Lage/Höhe von Geodaten. Für den Fall der Realisierung eines neu- 1 – 2 cm / 2 – 3 cm in Echtzeit) der aktuelle und auch künf- en PPP-RTK-Dienstes öffnet sich die amtliche deutsche tig erforderliche Standard (AdV 2019). Vermessung einer Zukunftstechnologie und erschließt zusätzlich Nutzungen im »Massenmarkt« 2020 2022 2026 2029 der präzisen Navigationsanwendun- gen mit beträchtlichen Ausmaßen. Die Projektphase Pilot- und Produktionsphase Kommunikationstechnik der Broad- cast-Bereitstellung ist prädestiniert für Open Data. Daher ist abzusehen, dass HEPS ja PPP-RTK Liegenschafts- die aktuellen Entwicklungen zur kosten- kataster u.a. freien Bereitstellung von GNSS-Korrek- 1–2 turdiensten nochmals verstärkt werden. cm Dabei werden die Anforderungen an PPP-RTK HEPS eine (Mehrfach-)Redundanz steigen, da nein 5 cm Erfordernis? Abgrenzung Massenmarktanwendungen wesentlich AK RB (PG PPP) zu Galileo HAS Nutzer? ausfallsicherer sein müssen. PPP-RTK Betreiber? AdV 2020 Testprojekt Testprojekt Testprojekt ZSS BKG Bayern Dank gilt den Mitgliedern der Task Force PPP- Abb. 5: Skizze für die Einführung eines PPP-RTK-Dienstes RTK der AdV, Dr. Cord-Hinrich Jahn und Dr. Lena Albert (ZSS, NI), Dr. Johan- Die Anforderungen der Nutzer aus dem Bereich des nes Bouman (BKG), Dr. Gunter Liebsch (BKG), Bernhard Bundes an einen neuen Positionierungsdienst sind hete- Heckmann (HE) und Martin Freitag (BY), die die Skiz- rogen. Es gibt Behörden, die ebenfalls sehr hohe Erwar- ze für einen künftigen PPP-RTK-Dienst erarbeitet haben tungen im Bereich der Genauigkeit haben. Für viele an- und auch den Mitgliedern der AdV-Projektgruppe »Preci- dere Nutzer, vor allem aus dem Sicherheitsbereich, reicht se Point Positioning« und Dr.‑Ing. Yüksel Altiner (BKG). hingegen eine Genauigkeit im Zentimeter- bis Dezimeter- bereich in der Regel aus. Dafür werden aber hohe Integri- Literatur tätsanforderungen gestellt. Die Länge der Konvergenzzeit AdV, BDVI (2005): Gemeinsame Positionspapiere von AdV und BDVI ist für eine Reihe von Nutzern ebenfalls ein wichtiges verabschiedet. AdV (2019): Produktdefinition SAPOS, Version 8, Stand: 19.08.2019. Kriterium. Derzeit nutzen die Bundesbehörden eigene www.adv-online.de, letzter Zugriff 06/2020. Lösungen, SAPOS oder kommerzielle Dienste privater AdV (2020): Bericht der Task Force PPP-RTK (J. Riecken, C.-H. Jahn, Anbieter. Ein gemeinsamer Bund-Länder-Dienst würde L. Albert, J. Bouman, G. Liebsch, B. Heckmann, M. Freitag): Ent- die Nutzung des einheitlichen geodätischen Raumbezugs wicklung eines PPP-RTK-Dienstes mit hoher Positionsgenauigkeit und kurzer Konvergenzzeit. Unveröffentlicht. und einheitliche Standards ermöglichen und gleichzeitig Agrarministerkonferenz (2017): Ergebnisprotokoll vom 31.03.2017. www. höchste Genauigkeit garantieren. agrarministerkonferenz.de/documents/finales-ergebnisprotokoll_ Vor diesem Hintergrund hat die AdV erkannt, dass ein amk_hannover_ohneunterschriften_stand130407_1510304147.pdf. Bedarf an einem deutschlandweit bereitgestellten PPP- Riecken, J., Kurtenbach, E. (2017): Der Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung – SAPOS®. In: zfv – Zeitschrift für RTK-Dienst besteht. Sie wird die Machbarkeit und Umset- Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, Heft 5/2017, 142. zung für den Geodätischen Raumbezug gleichwertig dem Jg., 293–300. DOI: 10.12902/zfv-0180-2017. SAPOS-HEPS als gemeinsame Bund-Länder Entwicklung prüfen und nach Möglichkeit umsetzen. Kontakt So soll, basierend auf existierenden PPP-Projekten des Prof. Dr. rer. nat. Paul Becker Bundesamt für Kartographie und Geodäsie BKG, der zentralen Stelle SAPOS (ZSS) und der Landes- paul.becker@bkg.bund.de vermessung Bayerns, eine Machbarkeitsstudie und dar- Dr.-Ing. Jens Riecken auf aufbauend, wenn möglich, ein Umsetzungskonzept Leiter des Arbeitskreises Raumbezug der AdV für einen endgültigen PPP-RTK-Dienst erarbeitet werden. c/o Bezirksregierung Köln, Geobasis NRW Der zu entwickelnde PPP-RTK-Dienst ist bis auf weite- jens.riecken@bezreg-koeln.nrw.de Dieser Beitrag ist auch digital verfügbar unter www.geodaesie.info. © Wißner-Verlag 145. Jg. 4/2020 zfv 245
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