Status Galileo - und dessen Nutzen für die präzise Positionierung - EPOSA Anwendertreffen - 7.Mai 2013

Status Galileo -
und dessen Nutzen für die präzise Positionierung

             EPOSA Anwendertreffen – 7.Mai 2013

                           Robert Weber
            Department für Geodäsie und Geoinformation
                       FG Höhere Geodäsie

Meldung Standard

Aktive GNSS und SBAS

Galileo Konstellation
        Walker 27/3/1               orbit radius ~29990 km
plus 3 in-orbit spares (1/plane)

                                             inclination 56 deg

                                   period: ~ 14 h./4 min./42 s
                                   17 orbits in 10 days

Galileo Kontrollsegment

Galileo Raumsegment - Aufbau

•4 Satelliten bereits im All
     – 4 IOV

•Weitere 22 Satelliten finanziert und bestellt
   – 14 FOC + 8 FOC

•Launch Services bereitgestellt durch
 Arianespace

    – Soyuz: 7 Starts für 14 Satelliten (incl.
      der IOV ; bis Herbst 2014)

    – Ariane 5: 3 Starts für 12 Satelliten
                                                 IOV: In-Orbit Validation
      (Ende 2014 bis Mitte 2015)                 Photo: ESA

Galileo Services

IGS- MGEX Netzwerk (Frühjahr 2013)

• ~10 Organisationen
• ~50 Stationen weltweit
• real-time Stationen (NTRIP,
  RTCM3-MSM)                                                           R/T stations
• 6 Empfängertypen                                          http://mgex.igs-ip.net/home
  7 Antennentypen
• Datnaufnahme:
  Galileo, BeiDou, QZSS
• Datenarchive
  CDDIS, IGN, BKG
• RINEX 3
• R/T Caster BKG
• Freier Datenzugang
                                                               Offline stations
                                ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/campaign/mgex

Koordinatenlösungen berechnet durch AIUB Bern

Vielfalt neuer Signale

Galileo Signale und Trägerfrequenzen

                                             Graphik : ESA

                            Galileo sendet
                            10 unterschiedliche
                            Signale
                            Pilot bzw. Data-Channels

Giove-A / GPS Signalqualität
                           T.Springer et al.

E5a (C5I, C5Q) , E5b (C7Q), E5a+b (C8Q, derzeit kaum unterstützt),
E1A bzw E6 derzeit ‚restricted‘ ;
Spezielle Galileo Signale bieten Rauschlevel von

RTK: Referenzstationsnetze – Systemaufbau (schematisch)

RTK: Referenzstationsnetze – Datenfluss/Prozessierung

                Datenaufnahme ->
Reference
                an Zentrale senden

                 Mehrdeutigkeits-
                 lösung in Zentrale
                                              Interface
                                              MAC
   Processing

                Aussendung von Residuen im
                Netz bzw. Erstellung + Aus-
                sendung von Fehlermodellen

                Korrigiere Messungen für
                Roverposition
                                              Interface
                                              VRS
 Rover
                 Berechne
                 Roverposition

Linearkombinationen

                             L x = κ 1,x L1 + κ 1,x L2
                             Px = κ 1,x P1 + κ 1,x P2
Beispiele:
                                         c
Widelane                         λ5 =
                                      f1 − f 2
                    GPS (L1/L2) :            λ5 ≈ 0.86m
                    Galileo (E5a/E5b) :      λ5 ≈ 9.77 m
                    Galileo (E5a/E5) :       λ5 ≈ 19.54m
 Melbourne-Wübbena

                              1
             ∆L6j , AB =            ( f1 ∆L1 − f 2 ∆L2 ) − 1 ( f1 ∆P1 + f 2 ∆P2 )
                           f1 − f 2                       f1 + f 2
Achtung: Signal-Linearkombination erhöhen auch das Rauschniveau verglichen
mit den Grundsignalen bzw. Trägerwellenmessungen

Schritte zur Koordinatenbestimmung des Rovers
Schritt 1: Melbourne-Wübbena- Linearkombination L6
                    1                               1
   ∆L6j , AB   =          ( f1 ∆L1 − f 2 ∆L2 ) −          ( f1 ∆P1 + f 2 ∆P2 )
                 f1 − f 2                        f1 + f 2
 Diese Linearkombination eliminiert die ionosphärische Verzögerung, die
 Geometrie, die Satelliten- und Empfängeruhrfehler als auch die
 troposphärische Verzögerung. Bei Vorliegen guter P-Code Beobachtungen
 mit einem Rauschlevel von < 3 dm ist diese Linearkombination
 hervorragend zur Fixierung der Wide-Lane Ambiguities N5 geeignet
Schritt 2: Narrow-Lane Linearkombination L 3 = ionosphärenfrei

                         f2                          c
   ∇∆B3jk,AB    =c                 ∇∆N 5jk,AB +            ∇∆N 1jk,AB
                     f 12 − f 22                  f1 + f 2
Liefert fixierte Mehrdeutigkeit auf einer ca. 11cm Wellenlänge. Einsetzen in
Beobachtungsgleichung erlaubt Festlegung der Basislinie zur Referenzstation
mit hoher Genauigkeit.

 •Lösung in Quasi-Echtzeit gesucht -> Kalman-Filter
              r
  Parameter: x Rover , ∆t Rover , N SRei f ,Rov

Galileo im Überblick
• Galileo liefert Trägerphasen- und Codesignale höchster Qualität

• Broadcast Bahnfehler+ Uhrenfehler < 65 cm

• Galileo Koordinatenrahmen: ITRF2008

• Galileo Systemzeit: GST

• Galileo weitgehend GPS-interoperabel

•Galileo Signalcodierung unterstützt Multipath-Mitigation

•Der Rauschlevel spezieller Galileo Signale ist sehr klein
 (z.B E5 AltBoc < 10cm)

• Galileo erlaubt Extra Widelaning (direkte Mehrdeutigkeitsfixierung)

• Galileo erlaubt Trilaning (Ionosphärenfreie LC mit Integermehrdeutigkeiten)

GNSS –Positionierung allgemein


 GNSS = GPS + GLONASS + (GALILEO) + (Beidou)...
 ab 2016 werden rund 80-100 Navigationssatelliten zur
 Verfügung stehen


 Die Nutzung von GPS+GLONASS+ GALILEO+Beidou
  + erhöht die Anzahl der verfügbaren Beobachtungen
  + erhöht den Prozentsatz erfolgreicher Positionierungen im
    sichteingeschränkten Gebieten (z.B. Stadtgebiet)
  + verbessert weitgehend die Schnittgeometrie (DOP)
  + verringert die Mehrdeutigkeits-Fixierungszeit bei RTK

  - erhöht die Komplexität der Signalakquisition
  - Inter- und Intrasystem Biases (->Kalibrierung der Kanäle)
  - erhöht die Anforderungen an standardisierte Übertragungsformate
     (-> RTCM 3.2 Multi-Signal-Messages -> RINEX 3.02)
  - erhöht die Anforderungen an Hard- und Software bei
    Nutzer und Referenzstationsbetreiber

Besten Dank
    für Ihre
Aufmerksamkeit

Observation Exchange Format -> RINEX 3.0
(by W. Gurtner)

Methoden der Mehrdeutigkeitslösung
Im Prinzip ein Suchverfahren der zur Geometrie Rover-Satelliten passenden
Mehrdeutigkeiten auf 1.Differenzniveau
-> Beobachtungen mit mm- bis einige cm Genauigkeit

Vorgangsweise:
•Anbringen der für die Rover-Position interpolierten ‚Range-
Corrections‘ an die Roverstreckenmessungen
•Differenzbildung zu Referenzstation
•WideLane/Narrow-Lane (L5/L3) Lösung oder nach wegen
bereits erfolgter Iono-Korrektur direkte L1/L2-Lösung
(In beiden Fällen ist der Startwert eine gute Code-Position)

•Lösung in Quasi-Echtzeit gesucht -> Kalman-Filter
Parameter:
•Probleme: Datenübertragungsausfälle, Multipath

                r
                x Rover , ∆t Rover , N SRei f ,Rov

Early Services : OS, PRS, Search&Rescue ab Ende 2014

Beobachtungsgleichungen für die Code- und Phasenmessung

 PSR,i + v SR,i = ρSR + ∆ρSR,Ion,i + ∆ρSR,Trop + ∆ρSR,rel + c*∆tR - c*∆tS

 L SR,i + v SR,i = ρSR - ∆ρSR,Ion,i + ∆ρSR,Trop + ∆ρSR,rel + c*∆tR - c*∆tS + λi*NSR,i

Netzwerk RTK Korrekturen / RTCM V3.x =
1.Differenzen zwischen Master und Auxiliary Referenzstationen
  ∆LSM ,A − δ∆ρSM ,A − c ∆t M ,A − λ∆NSM ,A =                   bekannt

 = geometrische Fehleranteile (M1015)                • Troposphäre, Orbits, ..
 + dispersive Fehleranteile   (M1016)                • Ionosphäre

  Troposphärische Korrektur, Ionosphärische Korrektur und Orbitfehler sind
  räumlich korreliert – erste Differenzen reduzieren diese Effekte über große
  Distanzen

Linearkombinationen                                  L x = κ 1,x L1 + κ 1,x L2
                                c                    Px = κ 1,x P1 + κ 1,x P2
Widelane                λ5 =
                             f1 − f 2

GPS (L1/L2) :           λ5 ≈ 0.86m
Galileo (E5a/E5b) :     λ5 ≈ 9.77 m
Galileo (E5a/E5) :      λ5 ≈ 19.54m

                n(L1)    m (E5a)   k(E5b)   l (E5)   r(E6)   Wavel.   Iono     Iono/Wavel.
                0        1         -1       0        0       9.768    -1.748   -0.18
                0        1         0        -1       0       19.537   -1.770   -0.09
                0        2         -3       0        -1      29.305   -0.769   -0.03
                1        4         1        -3       -3      3.907    -0.001   -0.00
                3        -5        0        0        3       0.112     0.000    0.00
                4        -3        1        1        0       0.109    -0.000   -0.00