Positionierung und Geomonitoring mit GNSS: Anwendungen, Chancen und Risiken - Friedrich Hopfner Medaille 2018
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Positionierung und Geomonitoring
mit GNSS:
Anwendungen, Chancen und Risiken
Friedrich Hopfner Medaille 2018
Robert Weber
Department Geodäsie und Geoinformation
FB Höhere Geodäsie
TU‐Wien
Friedrich Hopfner
Geodät und Geophysiker
* Trautenau (Trutnov, Böhmen), 28. 10. 1881; † Hintersteinersee (Tirol), 5. 9. 1949
Quelle: Vermessung&Geoinformation, Heft2/2009, K.Bretterbauer, pp 243‐249
F. Hopfner‐ Lebenslauf • 1899–1904 : Studium an den Univ. Prag und München Math., Physik, Astronomie und Geophysik, • 1905 : Dr.phil. • 1905–12: Ass. an der Sternwarte Wien, an den meteorolog. Inst. in Berlin, Innsbruck, Wien, am Maritimen Observatorium in Triest • 1912: Adjunkt am Gradmessungsbüro in Wien • 1916: Leiter des Feldwetterdienstes der Isonzoarmee • 1921: Chefastronom im Bundesamt für Eich‐ und Vermessungswesen in Wien • 1936: o. Prof. für Höhere Geodäsie und Sphär. Astronomie an der Techn. Hochschule in Wien, • 1938–45 zwangsweise pensioniert • 1948/49 Rektor der TH Wien • Mitglied der Akad. d. Wiss. in Wien
F. Hopfner‐ Wissenschaftliche Arbeiten • Bahnrechnung kleiner Planeten. • Arbeiten zur solaren Steuerung des Klimas, welche ihn seit 1906 beschäftigten und im Wesentlichen die Theorie von Milankovich als Spezialfall enthalten • Handbüchern der Experimentalphysik (1931) und der Geophysik (1933); behandelt die Gezeiten des Meeres und der festen Erdkruste • ersten radiotelegraphische Längenbestimmungen in Österreich • ausgedehnte Schweremessungen; gemeinsam mit der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik wurde eine geomagnetische Neuaufnahme Österreichs durchgeführt.
Friedrich Hopfner verfasste insgesamt 81 fachbezogene Publikationen
• 1905 „Die Verteilung der solaren Wärmestrahlung auf der Erde“, Monthly Weather Review
• 1907 „Untersuchungen über die Bestrahlung der Erde durch die Sonne mit
Berücksichtigung der Absorption der Wärmestrahlen durch die Atmosphärische Luft nach
dem Lambert´schen Gesetz. I.Mitteilung: Analytische Behandlung des Problems“ (S. 167–234)
in: „Über das Vorkommen der seltenen Erden auf der Sonne“, Wien, Verlag Hölder
• 1913 „Die Gezeiten im Hafen von Triest“, Wien, Verlag Hölder, in: Sitzungsberichte der
Akademie der Wissenschaften, Math.‐Nat. Klasse, Abt.2a; Bd.122, Heft 9, Wien
• 1922 „Der Meridianbogen Großenhain‐Kremsmünster‐Pola“ (mit R. Schumann), Astro‐
geodätische Arbeiten Österreichs, Neue Folge Bd.1
• 1927 „Mathematische Grundlagen zu einer astronomischen Theorie der
Klimaschwankungen“
• 1927 „Die Figur der Erde“, Bundesverlag Wien
• 1931 „Neue Wege zur Bestimmung der Erdfigur“ (Ergebnisse der Kosm.Physik Bd.1),
Leipzig
• 1931 „Die Gezeiten der Meere“ im Handbuch der Experimentalphysik
• 1933 „Die Gezeiten der festen Erde“ in Gutenbergs Handbuch der Geophysik
• 1933 „Physikalische Geodäsie“ (Mathematik und ihre Anwendungen, Bd. 14),
Akademischer Druck, Leipzig
• 1936 „Figur der Erde, Dichte und Druck im Erdinnern“ in Gutenbergs Handbuch der
Geophysik Bd.1, p.139‐308, Berlin
• 1949 „Grundlagen der Höheren Geodäsie“ (Lehrbuch), Wien, Springer‐Verlag.
Agenda • Kurze Zeitreise ‐> (max 12 min) • Geomonitoring (Erdrotation, Punktbewegung, Troposphäre, Ionosphäre) • GNSS Punktbestimmung 202+ ? • Risiken • Chancen / Entwicklungen EGNSS
Anfänge • 1987 : WM101/Berner SW – FG Ingenieurgeodäsie • 1990: Vortrag GPS ‐ K.Bretterbauer : GPS‐Receiver Armbanduhr / Smartphones gab es noch nicht
Leica WM 102 – erster GPS Receiver bei HG
Ankauf 1990 durch Investitionsmittel der
TU‐Wien ‐ Kosten ca. 1 Mio. Schilling
Zubehör: ‐ externe Antenne, 2 Transportboxen
Datenkassette 12‐15 kg Gesamtgewicht
Kabel für Autobatterieanschluss
Kabel für Computeranschluss
Erste GPS ‐ Messkampagnen • 1991: Testmessungen Hohe Wand (Nachtmessung / Sonneruhrfelsen / Streit um KT 114‐76) nur 15 GPS Sats verfügbar • 1991: Testnetz Wien (6 Empfänger) (zur Aufdeckung systematischer Fehler der GPS‐ Basislinien) • 1992: Kampagne Tunnelkette Klaus, Phyrnautobahn, 1 Woche , 6 Receiver
IGS – ‚International GNSS Service‘ • Beschluss Gründung IGS: IUGG 1991 Wien • Juli 1992: IGS Vorbereitungskampagne (Hutbigl/Horn) • 7.1993‐6.1995: meine Zeit am AIUB • 1.1.1994 offizieller Start – IGS operationell Quelle: G. Beutler , IGS Workshop 2014
IGS Fortsetzung / Arequipa • IGS GLONASS AC (1996‐1999) • IGS Analysis Coordinator (2000‐2001) • Erdbeben 24.Juni 2001 Magnitude 8.4 Abgabe IGS Precise Ephemeris 17h UTC !!! • IGS GNSS WG ‐> MGEX
GPS 1991 ‐> GNSS 201+
ca. 15 GPS 100 GNSS
GPS
Galileo
Beidou
C/A Code ‐> GLONASS
mehr als 10 ‚freie‘ SignaleSichtbare GNSS Satelliten verschiedener
Systeme
11 GPS
12 Glonass
9 BDS
5 Galileo
+ SBAS
============
37 GNSS Sats
Quelle: Ignacio Fernandez‐HernandezGPS 1991 ‐> GNSS 201+ Equipment : 15 kg ‐> < 1kg (oder weniger) Einzelsensor ‐> Sensorfusion/integriert Einzelne Basislinie ‐> aktive Referenznetze Messdauer 2h ‐> wenige Sekunden Daten‐Postprocessing ‐> RT Referenzrahmentransforma tion ‐> RTCM 3.1/RT Koordinatenbestimmung ‐> Geomonitoring
Ionosphäre
Troposphäre
Punktbewegung Bodenfeuchte
über MP AnalyseGNSS Signale liefern heute Beiträge zu Beispiele ‐ Arbeiten HG • Erdrotation • Bahnbestimmung • Punktbestimmung‐ Bewegungsfelder • Troposphäre • Ionosphäre
Meinen Dank an • Dr. Gregor Möller • Dipl.Ing. Nina Magnet • Dipl.Ing. Dzana Horozovic • Dipl.Ing. Elke Umnig • Dipl.Ing. Janina Boisits • Dipl.Ing. Marcus Franz Glaner • Dipl.Ing. Matthias Aichinger‐Rosenberger • Dr. Fabian Hinterberger für Ihre Beiträge, die auf den folgenden Folien gezeigt werden
Network: Global GPS/Galileo Network
Processed network: about 190 stations
Reference Frame : ITRF2014
ERP Time resolution : 1 hour -> investigate sub-diurnal tides
GPS versus GPS/GalileoLOD time series
(July 2017-Dec. 2017)
Hauptperiode: 13.7 tägige zonale Tide, feste ErdeLOD time series
(July 2017-Dec. 2017) w.r.t. IERS2010
sub-diurnal tidal model
LOD:
• GPS/GAL
• Std: +/-
0.17msec
• GPS
• Std: +/-0.23
msec
Quelle: Dzana HorozovicLOD residual amplitudes
GPS/Galileo – IERS2010 and GPS - IERS
Amplitudes estimated from time series covering 2017
Tägliche und halbtägliche Terme hervorgerufen durch ozeanische Gezeiten
LOD
30 OO1
25 K2
Residual amplitude (µs/day)
M1 M2
S2
20
15
K1
10 SO1 N2
O1 J1 ν1
2N2 ν2
Q1 TT1 μ2 L2
2Q1 χ1 P1
5 R2
σ1 RO1 T01 π1 S1 λ2 T2
ψ1 ϕ1 λ2
0
25,8
23,1
22,3
12,4
12
29,07
28,01
27,85
26,87
26,72
25,82
24,97
24,85
24,83
24,13
24,07
23,94
23,93
23,87
23,21
22,32
21,58
13,13
12,87
12,68
12,66
12,63
12,45
12,42
12,19
12,19
11,97
11,97
11,75
11,55
Period (h)
GPS/Galileo – IERS
GPS -IERS
Quelle: Dzana HorozovicGalileo Bahnbestimmung
(Juli - Dezember 2017)
Sigma daily orbital fit
0,1
E
01
0,09 E Galileo fit
02
0,08
E about +/-
03
E
04
4cm
0,07 E
05
0,06
E
07
GPS fit
E
about +/-
rms (m)
08
E
0,05
09 2cm
E
0,04 11
E
Note:
0,03
12
E
satellites
14
E E14,E18
0,02 18
E in
0,01
19
E incorrect
22
E orbit
0 24
03.Jul 23.Jul 12.Aug 01.Sep 21.Sep 11.Okt 31.Okt 20.Nov 10.Dez 30.Dez
2017
Quelle: Dzana HorozovicLandesweites Bewegungsfeld ‐ ITRF2014
2,5 cm
Quelle: Elke Umnig 3‐JahreszeitserienBewegungsfeld ‐ w.r.t. ITRF2014
2,5 cm
Genauigkeit der abgeleiteten V besser als
Quelle: Elke Umnig +/‐1mm/yAnnual Environmental Loading
N,E Komponenten
Quelle: Elke UmnigTroposphärische Signalverzögerung
ohne Arbeiten zu VMF (Johannes Böhm)
Zeitserie des Zenith‐Wet‐Delays / Referenznetz Kärnten + Sonnblick
!! 2008 !!Troposphärische Signalverzögerung /
Gradienten
Nutzung der Gradienten zur Niederschlagsvorhersage
Quelle: Janina Boisits
!! 2017 !!Tropospärische Signalverzögerung/ Tomographie
Raum über Interessensgebiet in Voxel geteilt ‐> gesucht
Refraktivität pro Voxel
Quelle: Janina Boisits, Gregor MöllerTropospärische Signalverzögerung/
Tomographie
Raster (Voxel) Eingabedaten:
• 0.1° x 0.1° räuml. Auflösung a) a priori model (Standard
Atmosphäre; z.B. ALARO Modell
• 10 Höhenniveaus ZAMG)
(h = 0 ‐ 40 km)
b) STDs abgeleitet von GPS+GLO+GAL
Beobachtungen
Quelle: Gregor MöllerVertikale Profile der feuchten Refraktivität N
Station Innsbruck; 6.‐31.Mai 2013
Quelle: Gregor Möller 31HG Ionosphärenmodelle
Giomo Model
Berechnung: Vorteile:
• Berechnung der • Globales Modell
geometriefreien LC • leicht zu prädizieren z.B.
• Ausgleich zur Bestimmung der für den kommenden Tag
5 Parameter (Absolutwert und
Koordinaten des Ionosphären‐
Maximums, qlat, qlon)
Regiomontan Model
Berechnung: Vorteile:
• Approximation der Thin Shell • Regionales Modell
mittels Taylor‐Polynom • Geometriefreie LC der
• Ausgleich zur Bestimmung von Phasendaten
VTEC0 und den 1. und 2. • Korrigiert um
Ableitungen Signalbiases
Quelle: Nina Magnet, Janina BoisitsGIOMO vs. IGS (2. Oktober 2018, 14:00 UTC)
GIOMO
Differenz
IGS
Quelle: Nina MagnetGIOMO vs. Regiomontan vs. Klobuchar vs. IGS
Mit verschiedenen Ionosphärenmodellen
korrigierte L1 Pseudoranges
Referenz: Ionosphärenfreie Linearkombination
Statistik
GIOMO Regiomontan
Residuen Giomo Regio Klobu
< 0.5m 48.3% 56.2% 26.9%
< 1.0m 75.5% 80.5% 50.8%
Klobuchar
< 1.5m 87.7% 90.4% 67.6%
IGS
Quelle: Nina Magnet, Janina BoisitsISR ‐ ATMOSPHERE Use of Inter‐Satellite Ranging for Troposphere Tomography and Ionosphere Monitoring (ESA‐Projekt) • Determine precise orbits for Galileo MEOs, IGSOs and satellites on transfer (from LEO to MEO) • Detect transit events when ISR signals enter the atmosphere • Calculate ISR link budget for various frequencies • Identify the additional value of ISR measurements to sense the Earth‘s neutral atmosphere (wrt. existing GNSS techniques) • Evaluate a potential recovery of the electron density content in the ionosphere from ISR measurements at various frequencies
Transit Events Definition of a transit event • An event is detected when the path of the ISR signal approximates the Earth closer than 40 km (neutral atmosphere) / 1100 km (ionosphere), respectively.
Orbit Determination
1. MEO satellites
We have simulated three different Galileo MEO constellations (24, 27
and 30/3/1 ) for one year (2014)
Transitevents nur
zwischen Satelliten
verschiedener
BahnebenenTransit Events
MEO‐MEO (24/3/1 constellation )
• Satellites in plane 1: E01,E04, E07,….
plane 2: E02, E05, E08,….
plane 3: E03,E06, E09,…
• Graphic shows the number of the transit
events per year between MEO satellites
(equal for both, ionosphere and neutral
atmosphere)
• 4 different types of transit events per satellite
• Duration: 8 min / 12 min (total atmosphere)
• Path geometry for all MEO satellite pairs
• Period: 5th Jan 2014
• Covered region: 10° to 50° lat band at both
hemispheresOrbit Determination 2. MEO spare Simulation of one additional MEO spare satellite in order to complement the 24/3/1 constellation and to install a permanent link in the same orbital plane.
Transit Events
MEO‐MEOspare
• Transit event for the MEO/MEOspare
satellite pair in the same orbital plane =
Permanent Event
• Period: 4th May 2014
• Region: ‐50° to 50° lat band
• Option: Screening of a defined
atmospheric layer
• The transit events for the MEO/MEOspare
satellite pairs in different orbital planes
• Period: 4th May 2014
• Covered region: 3 bands between
‐50° and 50° latIonospheric Reference Model (IRI2012)
• Generating a global grid :
– Horizontal resolution:
2.5° x 2.5°
– Vertical resolution:
40 km
(from 60 km to 1100 km)
– Temporal resolution:
1h
– Date: July 19th, 2013
• Electron Density of every grid
point was obtained by evaluating
the IRI2012 model
Source:
• day‐night as well as geographic http://www.gfdl.noaa.gov/
research-of-andrew-wittenberg
electron density variability
captured in this approachIonosphere Sounding
Integrated TEC (based on IRI 2012 Reference Field)
Integration of TEC along signal path for MEO‐MEO, MEO‐IGSO and
MEO‐MEO spare events in GPSweek 1793
200km
Ray height with maximum number in 10E18 electrons =
of electrons passed: ~200 km 100 TECUIonosphere Sounding
MEO ‐ MEO 24
• E01‐E05 average lat: Breite 36°
UHF
S/C‐band
K‐bandGPS 201+ ‐> GNSS 202+ Referenznetze ‐> PPP Prs,i rs rs,Ion,i rs,Trop ct r ct s rs,i Lsr ,i rs rs,Ion,i rs,Trop ctr ct s i (Nrs,i BRs ,i ) rs,i
Precise Point Positioning
GPS only / Float Solution
Punktbestimmung mit sub‐dm Genauigkeit nach ca. 20
Minuten Konvergenzzeit
Quelle: Marcus GlanerPrecise Point Positioning
with integer Ambiguity Resolution
+/‐2‐3cm Lage
Coordinate Difference [m]
Coordinates over Time Coordinates over Time
nach
? Minuten
Konvergenzzeit
Wrong Fix
Station Großarl
15sec interval
GPS + Galileo solution
Ionosphere-Free LC
CNES broadcast
correction stream (CLK93)
for orbits, clock, biases
Quelle: Marcus Glaner fixing not started reference satellite not observed fixedGalileo Commercial Service (HAS)
= PPP (float) mit SIS
Quelle: Ignacio Hernandez‐FernandezGalileo CS HAS Frequenzband und Bandbreite
10
Quelle: Ignacio Hernandez‐FernandezDOWNLINK CAPABILITY
(Estimation, Galileo FOC – 2020)
11
AVG. AVAILABILITY 4 SV [94‐99.9%] AVG. BW: [2704, 3472]
Anzahl ‚Connected Satellites‘ = Satelliten mit Bodensegment
Uplink Stationen verbunden (max 20 gleichzeitig)
Quelle: Ignacio Hernandez‐FernandezHAS DEFINITION • HAS data will be transmitted openly, for
free, and through an open standard
• High accuracy (PPP) corrections format. RTCM CSSR used as starting
provided in the Galileo E6‐B signal point. Format currently under definition
component: • "user error of less than two decimetres"
• Satellite orbits This depends on user receiver, algorithm
• Satellite clock corrections and environment.
• Code biases for multi‐frequency • Support HAS via terrestrial networks is
• Signal/correction quality under consideration.
information Sub Sub Type Name No. of Bit
• Phase biases (to be confirmed) Type
• Ionosphere in EU (to be 1 Compact SSR Mask 37 + 60 x Nsys
2 Compat SSR GNSS 25 + (51 or 49) x Nsat
confirmed) Orbit 12
Correction
• Corrections will for Galileo (E1, E5a, 3 Compact SSR GNSS 25 + 15xNsat
Clock
E5b, E6, E5 TBC) and GPS (L1, L2, Correction
others TBC), and in the future 4 Compact SSR GNSS Satellite 25 + 11 x Ncode x Nsat
Code Bias
potentially for other GNSS. 5 Compact SSR GNSS 25 + 17 x Nphase x Nsat
• Global coverage when fully Satellite
Phase Bias
operational. Partial coverage before. 6 Compact SSR GNSS 28 + 28 x Nsig x Nsat
Satellite
EU always included. Code and Phase Bias
7 Compact SSR GNSS URA 25 + 6 x Nsat
8 Compact SSR TEC Correction 25 + 34 x Ngrid
Quelle: Ignacio Hernandez‐FernandezHIGH ACCURACY ROADMAP – UNDER CONSOLIDATION
2018 2019 2020 2021 2022 2023
Demonstrator
Phase « 0 »
Bilateral
agreements
Public • Validate dissemination capabilities
« ICD » • HA SiS tests
Phase 0
• System data only (GSS)
Phase « 1 »
Negotiation for
HA algorithm
• New facility at GSC, Service in 2020
ITT
Phase 1 • Relaxed performance, European coverage
publication Initial‐HA
Provision by GSOp
• Full service provision
• External data use targeted to improve
Phase 2 performance
Phase « 2 »
Architecture Negotiation
consolidation study with operator
Full‐High Accuracy
Provision by the selected operator
17 October, 2018
Quelle: Ignacio Hernandez‐FernandezGNSS- Risiken
• Geringe Signalstärke (>20 W ‐> Empfangsleistung ca ‐155dBW)
• Für geodätische Anwendungen von Bedeutung: Abschattung,
Multipath, Signalabschirmung durch Bauten, Signalüberlagerung
selten
Für sicherheitskritische Anwendungen aber von hoher Bedeutung:
• Jamming
‚ Denial of navigation service by masking the GNSS signals with noise‘
Die GNSS Signale werden durch einen nahen/leistungsstarken
Störsender überlagert
Gegenmaßnahmen: ‐ Verbote von Störsendern (Jammer)
‐ Nutzung von breitbandigen Signalen bzw.
Signalen außerhalb der CenterfrequencyGNSS- Risiken
• Spoofing
‚ Transmission of counterfeit GNSS‐like signals, with the intention to
simulate a false position/time without disrupting target receivers
operations‘
Gegenmaßnahmen: ‐ Vorsicht
‐ Authentication
Galileo OS Authentication (OS Nav.Message Auth.)
+ CS E6 Authentication (Range Authentication)Chancen ?
Prognosen sind schwierig, vor allem
wenn sie die Zukunft betreffen
Ausspruch von Mark Twain, Winston Churchill, Karl Valentin, …….?Entwicklungen EGNSS (202+/ 203+)
(Auswahl ohne PRS)
• UERE < 30cm (OS), abhängig von ISL oder erweitertem
Bodensegment
• Galileo CS HAS ‐ PPP besser als 10cm,
Konvergenzzeiten 1‐5 min (oder besser ?)
Referenzrahmen : ITRF
• Fast TTFF (neue Signale)
• Fusion EGNSS / IMU, EGNSS/ 5G Netze
• RAIM ‐> Support durch ISM Message (SIS)
• EGNOS v3 – Augmentation für GPS+Galileo L1/E1 + L5/E5
• EDAS – VRS via EGNOS ?
• Authentication
• Smartphone Positionierung +/‐ sub‐Meter ?
• ……..Smartphone /Android - PPP(Code only)
GPS+Galileo
PPP Positionierung mit Smartphone im +/‐ 1m Bereich (Lage)
1‐Frequenz Messdaten !!!
Konvergenz nach ca. 5 Minuten
Quelle: Matthias Aichinger‐Rosenberger, Franz GlanerBahn als Meteo‐Sensoren ?
+
=>Mein spezieller Dank gilt heute
• Johannes Böhm
für seine Freundschaft und für seine höchst kollegiale Unterstützung
für meine Anliegen innerhalb des FB Höhere Geodäsie
• Hermann Mucke
für die Freude an der Astronomie, die Möglichkeit mit 18 Jahren
Vorträge vor bis zu 200 Leuten zu halten und den Rat Geodäsie zu
studieren
• Kurt Bretterbauer
für seine ausgezeichneten Vorlesungen, weil er mich am Institut
aufgenommen hat und für den gebotenen wissenschaftlichen Freiraum
• Thomas Wunderlich
für seine Unterstützung an der FG Ingenieurgeodäsie, seinen fachlichen
Rat und besonders seinen Einsatz, dass ich 1995 an der TU verbleiben
konnte
• Gerhard Beutler – für Alles ,
vor allem seine außerordentliche fachliche und soziale Kompetenz,
dass er mich Erdrotation und Satellitenbahnbestimmung gelehrt hat,
und last but not least für seine sensationell guten VorträgeVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
F. Hopfner + 100 Jahre
Er hätte heute sicher
für seine Arbeiten zur
Erdfigur und den
Erdgezeiten GNSS‐
Messdaten verwendetSie können auch lesen
