Untersuchungen zur Nutzung von EGNOS und GPS

Diplomarbeit von Dominik Müller

Einleitung:

Mitte der siebziger Jahre begann die Entwicklung von Satellitennavigationssystemen. Insbesondere hat sich das NAVSTAR GPS (NAVigation System with Timing and Ranging Global Positioning System) des amerikanischen „Department of Defense“ (DOD) etabliert und findet in vielen Bereichen Anwendung. Auch heute noch öffnet es neue Möglichkeiten der Nutzung, und längst ist das ursprünglich für das Militär gedachte System auch im zivilen Umfeld nicht mehr wegzudenken. GPS hat sich im Laufe der Jahre zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt, und in der Geodäsie ist die Navigation als auch die Positionsbestimmung mit Satellitennavigationssystemen fester Bestandteil der praktischen Arbeit. So werden in der Landvermessung über große Entfernungen wirtschaftlich und hoch genau Positionen bestimmt. Zur Navigation wird GPS im Automobil-, Flugzeug- und Schiffsverkehr genutzt.

Neben den USA hat die damalige UDSSR das sogenannte GLONASS (GLObal‘naya Navigatsionannaya Sputnikovaya Sistema) entwickelt. Aufgrund der eingetretenen politischen Veränderungen und bedingt durch finanzielle Schwierigkeiten spielt GLONASS heute nur eine untergeordnete Rolle.

Zur Positionsbestimmung werden die Satellitensignale ausgewertet, wobei grundsätzlich zwei Arten von Signalen unterschieden werden [vgl. hierzu Seeber (1989), Abschnitt. 7.1.4], nämlich das Codesignal (1-1a) und das Phasensignal . (1-1b).

Vom Prinzip her liefert die Auswertung der Signale die Entfernungen zwischen Satelliten und Empfänger, die so genannte Pseudoentfernungen. Diese Pseudoentfernungen sind kein geradliniger Abstände, da die Signale (1-1) auf ihrem Weg vom Satelliten zum Empfänger verschiedenen Einflüssen unterworfen sind. Nach Wanninger (1994) wird nachstehender Fehlerhaushalt aufgestellt, wobei mit den numerischen Beträgen der Einfluss auf die Pseudodistanz angegeben ist. - Satellitenbahn: 10 – 100m (1-2a).

- Satellitenuhr: 10 – 100m (1-2b).

- Ionosphäre: 2 – 100m (1-2c).

- Troposphäre: 0,1 – 1m (1-2d).

- Mehrwegeeffekte: mehrere Meter (1-2e).

- Phasenzentrum der Antenne: ≤ 0,02m (1-2f).

- Empfängerrauschen: 1 – 3m . (1-2g).

Durch die genannten Fehler (1-2) wird die Position etwa um den Faktor zwei bis vier verschlechtert. Zur Verringerung bzw. Elimination der Fehler (1-2a-d) werden insbesondere folgende Verfahren angwand:

- DGPS (Differenzielles GPS): Es werden Pseudostreckenkorrekturen für eine Referenzstation berechnet und dem Nutzer direkt zur Verfügung gestellt. Die erreichbaren Genauigkeit liegen im Meterbereich.

- PDGPS (Präzises Differenzielles GPS) als Einzelstationslösung: Es werden Rohdaten (Code- und Trägerphasenbeobachtungen) von einer Referenzstation zum Rover gesendet und der Rover wertet diese Daten als Basislinie in Echtzeit aus. Hierbei werden cm-Genauigkeiten und besser erreicht. Der Nutzungsbereich sollte einen Abstand von 10 km zur Referenzstation nicht überschreiten.

- PDGPS als Netzlösung: Bei diesem Verfahren werden einzelne Referenzstationen zu einem Netz zusammengefasst und dann für die einzelnen Netzmaschen so genannte Flächenkorrekturparameter (FKP) bestimmt, die in Echtzeit an den Rover übertragen werden. Auf diese Art und Weise können die Fehleranteile (1-2a-d) großräumig verringert werden. Die FKP können auch dazu verwendet werden, eine Virtuelle Referenzstation (VRS) zu erzeugen.

DGPS liefert allerdings nur eine Genauigkeit im Meterbereich. Das PDGPS als Einzelstationslösung ist mehr oder minder überholt und wird lediglich bei autonomen Messungen praktiziert. Das letztgenannte Verfahren, PDGPS als Netzlösung, hat sich etabliert und wird als Dienstleistung durch SAPOS (Landesvermessungsverwaltungen der BRD) oder ASCOS (Ruhrgas AG) bereitgestellt.

Neben SAPOS und ASCOS gibt es alternative Systeme, die Korrekturdaten zur Verbesserung der Positionsbestimmung übermitteln. Solche Systeme werden auch als DGPS-Dienste oder als SBAS (Satellite Based Augmentation Systems, Satellitengestützte Erweiterungssysteme) bezeichnet. Genannt seien:

- Wide Area Augmentation Service (WAAS) der USA für den nordamerikanischen Raum (vgl. Abbildung 1.1).

- European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) der Europäischen Union für Europa (vgl. Abbildung 1.1).

- Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS) der Japaner für den asiatischen Raum (vgl. Abbildung 1.1).

- Canada Wide Area Augmentation Service (CWAAS) der Kanadier für Kanada.

- INMARSAT zur weltweiten Nutzung.

Weitere Systeme sind in der Planung, zum Beispiel :

- Quasi Zenith Satellite System (QZSS) der Japaner.

- BEIDOU der Chinesen.

- GAGAN der Inder.

Zusätzlich gibt es noch die beiden privaten Systeme der Firmen Racal SkyFix und Fugro Omnistar, die weltweit genutzt werden können, aber nicht über eine so hohe Referenzstationsdichte wie die vorgenannten Systeme verfügen.

Bei der Abdeckung großräumiger Gebiete ist in der Regel nicht die Referenzstationsdichte gegeben wie bei ASCOS oder SAPOS, so dass auch die Korrekturparameter entsprechend ungenauer bestimmt sind.

Grundsätzlich arbeiten WAAS, CWAAS, EGNOS, MSAS und INMARSAT nach dem gleichen Prinzip. Es werden Korrekturwerte aus einem Netz von Bodenstationen, die in den Koordinaten genau bestimmt sind, berechnet und diese senden die gewonnenen Parameter über Erdfunkstellen zu geostationären Satelliten. Von dort werden die Daten zum Nutzer übertragen.

In dieser Arbeit wird die Nutzung von EGNOS behandelt. Neben der Darstellung des Aufbaus und der prinzipiellen Funktionsweise dieses modernen DGPS-Systems wird vor allem die Qualität der Positionsbestimmung und Navigation mit EGNOS untersucht. Konkret muss also die Richtigkeit der EGNOS-Korrekturdaten geprüft werden. Zu diesem Zweck wurden mit einem EGNOS-fähigen Empfänger der Firma LEICA Echtzeitmessungen durchgeführt. Bei Echtzeitmessungen im single point positioning (SPP) muss davon ausgegangen werden, dass die Ergebnisse sämtliche Fehlerkomponenten (1-2a-d) beinhalten. Insofern lassen diese Messungen nur grundsätzliche Aussagen zu. Da EGNOS auch im Postprocessing verwendet werden kann, werden hier differenzierte Analysen vorgenommen, so dass eine Einschätzung der Qualität der einzelnen Korrekturparameter möglich ist.

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