Gemeinsame Nutzung von GPS und GLONASS im Satellitenpositionierungs-dienst SAPOS
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Martin Floth, Wilfried Korth Gemeinsame Nutzung von GPS und GLONASS im Satellitenpositionierungs- dienst SAPOS ® Mit der Verfügbarkeit weiterer GLONASS-Satelliten streben die Bun- desländer sukzessiv an, den Satellitenpositionieungsdienst der deutschen Landesvermessung (SAPOS®) um die GLONASS-Satelliten zu erweitern. Im Rahmen einer Diplomarbeit an der Technischen Fachhochschule Berlin in Zusammenarbeit mit der Landesvermessung und Geobasisinformation Brandenburg werden die Auswirkungen hinsichtlich Genauigkeit, Zu- verlässigkeit und Verfügbarkeit im SAPOS®-Dienst mit GPS einerseits und einer Kombination von GPS/GLONASS andererseits, untersucht. Einleitung In einer Diplomarbeit an der TFH Berlin Das amerikanische Satellitennavigations- wurden die Auswirkungen der Einbezie- system GPS ist im Vermessungswesen hung von GLONASS-Satelliten durch wegen seiner hohen Genauigkeit und umfangreiche Testmessungen in Gebieten Verfügbarkeit eine Alternative zu ande- mit verschieden starken Abschattungen ren terrestrischen Messverfahren. Durch untersucht. ständige Weiterentwicklung und Verbesse- rung ist es heute nicht mehr aus der Praxis Testgebiete wegzudenken. Doch das Monopol in der Um für den Nutzer verallgemeinerungs- Satellitennavigation geht dem Ende ent- fähige Aussagen machen zu können, ist gegen, denn das von Russland entwickelte darauf geachtet worden, Messgebiete, Pendant GLONASS soll bis 2009 wieder Zeiten und Technologien an die alltäg- komplett verfügbar sein und auch der lichen Arbeitsbedingungen anzupassen. Aufbau des europäischen Systems Galileo Die Zeiträume der Probemessung la- steht bevor. Durch Kombination von GPS gen zwischen 7:30 Uhr und 16:00 Uhr, und GLONASS (G/G) lässt sich schon jetzt wodurch ein gewöhnlicher Arbeitstag mit 12 der 24 zusätzlichen Satelliten eine repräsentiert werden sollte. Um vom deutliche Verbesserung der praktischen Empfängertyp unabhängige Resultate Anwendungsmöglichkeiten erreichen. Es zu erhalten, wurden alle Tests mit den wird erwartet, dass durch die zusätzlichen neuesten GNSS-Empfängern (Global Satelliten die Genauigkeit, Zuverlässigkeit Navigation Satellite System) der beiden und vor allem die Verfügbarkeit verbessert führenden Hersteller (Leica und Trimble) wird, besonders in Gebieten in denen durch durchgeführt. Alle Messungen wurden mit Abschattungen die Messungen nur mit Hilfe des Echtzeitpositionierungsdienstes GPS, stark eingeschränkt sind. SAPOS® realisiert. ermessung Brandenburg - 67 -
Die Messungen fanden zum größten Teil im Testgebiete realisieren. Diese sind nach-
Land Brandenburg, südlich von Potsdam stehend, nach dem Grad der Abschattung
statt. Hier ließen sich alle gewünschten geordnet, aufgelistet:
• ohne Abschattung (Flughafen Saarmund, ohne Bild)
• mit geringer Abschattung (Einfamiliensiedlung in der Alleestraße mit wenig Vege-
tation)
• mit mäßiger Abschattung (Doppelhaussiedlung zwei-drei Etagen mit wenig Vege-
tation)
• starker Abschattung (Einfamilienhaussiedlung in der Birkenallee mit viel Vegetation
hohe Laubbäume)
• sehr starke Abschattung (Berliner Stra-
ßenschlucht, Altbau 5 Etagen, Driesener
Straße)
Durchführung der
Untersuchungen
Die Untersuchungen erfolgten in drei
Schritten. Zuerst wurde die Genauigkeit
betrachtet. Danach stand die Zuverlässig-
keit im Vordergrund der Analysen. Die
größte Aufmerksamkeit ist jedoch auf die
Verfügbarkeit gelegt worden, da hier die
Erwartungen am größten waren.
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Genauigkeit systematischen Abweichungen untersucht.
Es konnten jedoch keine systematischen
Die Untersuchung der Genauigkeit wur- Fehler, weder bei Messungen mit GPS
de unter vier Gesichtspunkten durchge- noch mit GPS & GLONASS, festgestellt
führt: werden.
• Signifikanztest Alle Ergebnisse der Untersuchung der
• Auftreten von systematischen Fehlern Standardabweichung sind sehr ähnlich
• Streckenvergleich zwischen den Punkten sowie unabhängig vom eingesetzten Ge-
• Standardabweichungen rätetyp. Beispielhaft ist eine Grafik aus
Bei den Signifikanztests sind keine der Vielzahl der Berechnungen dargestellt
signifikanten Abweichungen zwischen (siehe unten).
den Messungen mit GPS und denen mit In dem dargestellten Diagramm kann
GPS & GLONASS gemeinsam in den man deutlich erkennen, dass die Werte
3D-Koordinaten festgestellt worden. Das der Standardabweichung mit dem Grad
bedeutet, eine Untersuchung der absoluten der Abschattung (von links nach rechts)
Genauigkeitssteigerung ist nicht sinnvoll. erwartungsgemäß ansteigen. Die Anzahl
Bei Abweichungen von den Sollkoordi- der Satelliten sank durch die Abschattung
naten kann nicht entschieden werden, ob bis auf die Hälfte und die Empfänger-Sa-
Messungen mit GPS oder Messungen mit telliten-Geometrie wurde dadurch sehr
GPS & GLONASS eine höhere absolute stark beeinflusst. Doch unabhängig vom
Genauigkeit liefern. Grad der Abschattung ist kein weite-
Um systematische Fehler zu entdecken, rer Trend erkennbar. Beim direkten Ver-
wurden alle Messungen nach möglichen gleich der beiden Technologien GPS und
Abb.: Lage-Standardabweichung in Meter
ermessung Brandenburg - 69 -
GPS & GLONASS sind keine sichtbaren Untersuchung der Zuverlässigkeit auf der
Verbesserungen oder Verschlechterungen Gegenüberstellung der Anzahl von GPS-
der Genauigkeit zu beobachten. Selbst in Satelliten einerseits und GPS & GLO-
Gebieten mit gleicher Abschattung sind NASS-Satelliten andererseits.
Differenzen der Standardabweichungen, In dem folgenden Diagramm ist die
wechselseitig zum Vorteil für GPS oder durchschnittliche Anzahl der Satelliten
GPS & GLONASS aufgetreten. Dies ist in den unterschiedlichen Abschattungs-
bei beiden Empfängertypen in derselben kategorien dargestellt. Es wird deutlich,
Weise zu erkennen. dass durchschnittlich drei GLONASS-
Daraus lässt sich schlussfolgern, dass Satelliten zu den vorhandenen GPS-Satel-
die bloße Steigerung der Satellitenanzahl liten hinzukommen. In den verschiedenen
(siehe Abschnitt Zuverlässigkeit) um ma- Abschattungsklassen steigt die Anzahl der
ximal 50 % nicht automatisch eine Genau- Satelliten um ca. 50 % an. Schon diese
igkeitssteigerung zur Folge hat. 50 % versprechen eine höhere Zuver-
Mit dem vollständigen Ausbau von lässigkeit auch in Gebieten mit stärkerer
GLONASS könnte diese Feststellung aber Abschattung.
hinfällig werden. Mit GLONASS sind zwar durchschnitt-
lich drei Satelliten mehr verfügbar, aller-
Zuverlässigkeit dings gibt es im Laufe eines Tages große
Bei geometrischen Problemen steigt die Schwankungen. Während zu Spitzenzeiten
Zuverlässigkeit eines Systems mit der An- bis zu fünf russische Satelliten verfügbar
zahl der Messwerte. Deshalb beruhte die sind, kann es vorkommen, dass keine
Anzahl GLONASS-Satelliten
Anzahl GPS-Satelliten
Abb.: Durchschnittliche Anzahl von Satelliten in verschiedenen Abschattungsgebieten
- 70 - Nr. 2/2007GLONASS-Satelliten sichtbar sind. Die Testgebiet Gewinn bei möglichen
Zuverlässigkeit wird also nur zeitweise Initialisierungen
erhöht.
Flugplatz 8%
Alleestr. 15 %
Verfügbarkeit
Doppelhaus 30 %
Die Verfügbarkeit wurde anhand zweier Birkenallee 4%
Faktoren beurteilt. Zum einen ist die An-
zahl der erfolgreichen Initialisierungen Jedoch wurde auch festgestellt, dass
der RTK-Systeme in den verschiedenen gerade in stark abgeschatteten Gebieten
Gebieten untersucht worden und zum (Häuserschluchten) der Vorteil der Hinzu-
anderen wurden die gemessenen Zeiten bis nahme von GLONASS-Satelliten gering
zur Initialisierung gegenübergestellt. ausgefallen ist.
Es wurde deutlich festgestellt, dass mit Weiterhin wurde ein weiteres Phäno-
der Hinzunahme von GLONASS wesent- men bei den Testmessungen festgestellt,
lich mehr Initialisierungen möglich waren, das von den Gerätefirmen jedoch nicht
die zu Koordinatenergebnissen führten. In bestätigt wurde: es ist nicht die Gesamtan-
der folgenden Tabelle sind die Mittelwerte zahl aller empfangenen Satelliten, sondern
gemeinsam für beide Empfängertypen lediglich die Anzahl der empfangenen
in den einzelnen Untersuchungsgebieten GPS-Satelliten entscheidend dafür, ob ein
zusammengestellt. SAPOS ®-Rover initialisiert werden kann.
Abb.: Ergebnisse der Verfügbarkeitsuntersuchung
ermessung Brandenburg - 71 -Diese Vermutung wurde mit zusätzlichen darf der Nutzer heute jedoch noch keine
Messungen bei starken Abschattungen revolutionären Verbesserungen durch die
und ohne Abschattung auf dem Dach der Einbeziehung von GLONASS erwarten.
TFH überprüft. Die Untersuchungen be- Im Jahre 2009 soll GLONASS vollstän-
stätigten, dass es ohne eine ausreichende dig ausgebaut sein. Auch die Technolo-
Anzahl von mindestens 5 GPS-Satelliten gien, die Rechnerkapazität in den Rover-
bei beiden Gerätesystemen zu keiner Ini- systemen sowie die Softwarealgorithmen
tialisierung kommt. werden sich bis dahin weiterentwickeln.
Das erklärt wiederum den niedrigen Damit könnten eventuell die bereits heute
Gewinn der Verfügbarkeit in stark ab- „versprochenen” Sprünge in Genauig-
geschatteten Gebieten mit zusätzlichen keit, Zuverlässigkeit und vor allem in der
GLONASS-Signalen. Denn hier werden Verfügbarkeit erreicht werden. Daher ist
zu wenig GPS-Signale empfangen, um es zu begrüßen, dass die Bundesländer
eine Initialisierung zu erreichen. schon heute bereits mit dem Nachrüsten
ihrer Referenzstationen mit GLONASS-
Fazit und Ausblick Signalen beginnen. Darüber hinaus soll
Es kann festgestellt werden, dass in der Ge- das europäische System Galileo ab 2012
nauigkeit keine spürbaren Verbesserungen teilweise verfügbar sein. Ferner ist eine
durch Hinzunahme von GLONASS-Satel- zusätzliche dritte GPS-Frequenz geplant,
liten zu bemerken sind. Die Zuverlässigkeit welche das Problem der Lösung der Pha-
wird durch die großen Schwankungen der senmehrdeutigkeit stark vereinfachen und
Anzahl der GLONASS-Satelliten inner- so eine Genauigkeitssteigerung nach sich
halb eines Tages nur zeitweise erhöht. ziehen wird.
Die operative Nutzerverfügbarkeit
von SAPOS ® konnte durch Hinzunahme
der GLONASS-Satelliten gebietsweise
verbessert werden. Der erhoffte Verfüg-
barkeitssprung gerade in Gebieten mit
sehr starken Abschattungen (z.B. Häuser-
schluchten) blieb vorerst aus.
Die zusätzlichen Testmessungen be-
stätigen die Vermutung, dass nicht die
Gesamtanzahl der Satelliten über eine Initi-
alisierung entscheidet, sondern die Anzahl
der GPS-Satelliten. Somit ist heute noch
kein kompromissloses Zusammenarbeiten
beider Satellitensysteme erreicht.
Obwohl das GLONASS-Raumsegment
zur Zeit nur zu 50 % ausgebaut ist, kön-
nen bereits jetzt Verbesserungen in der
Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit durch
die Hinzunahme der GLONASS-Satel-
liten nachgewiesen werden. Insgesamt
- 72 - Nr. 2/2007Sie können auch lesen
