Ionosphärische Aktivität: Ionosphärische Fehler und Bedingungen verstehen

Einführung in GNSS

Ob Sie durch die Wildnis wandern oder eine belebte Straße entlang fahren, GNSS ist ein zuverlässiger Begleiter, der Sie mit höchster Genauigkeit führt. Obwohl es stark von der Ionosphärenaktivität beeinflusst wird.

Das Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) bezieht sich auf eine Konstellation von Satelliten, die Signale aus dem Weltraum liefern, die Positions- und Zeitdaten an GNSS-Empfänger übertragen. Landwirtschaft, Kartierung, Verkehr, Navigation - die GNSS-Technologie hat ein breites Spektrum an Anwendungen in allen Branchen und im täglichen Leben.

Einige der bekanntesten in Betrieb befindlichen GNSS-Systeme sind:

• Das vom US-Verteidigungsministerium entwickelte Global Positioning System oder GPS ist ein Netz von Satelliten, die die Erde umkreisen. Derzeit sind 30 GPS-Satelliten in Betrieb. Diese Satelliten senden kontinuierlich Signale aus, die Informationen über ihren genauen Standort und die Uhrzeit enthalten.
• Global Navigation Satellite Systems oder GLONASS ist ein von Russland entwickeltes satellitengestütztes Navigationssystem. Das System hatte ursprünglich eine Konstellation von 24 Satelliten.
• Galileo ist das globale Satellitennavigationssystem der Europäischen Union. Es zielt darauf ab, ein unabhängiges Ortungssystem für Europa und andere Regionen zu schaffen.
• Das BeiDou Navigationssatellitensystem (BDS) ist das chinesische GNSS. Ursprünglich diente es der regionalen Abdeckung, aber mit der Fertigstellung der BeiDou-3-Konstellation bietet es nun globale Navigationsdienste.

 

Atmosphärische Fehler

Eine der wichtigsten Fehlerquellen bei der GNSS-Ortung ist die Atmosphäre. Da die Satelliten und die GNSS-Signalempfänger weit voneinander entfernt sind, legt das GNSS-Signal zwischen dem Satelliten und dem Empfänger Tausende von Kilometern zurück. Während dieser Reise durchläuft das Signal atmosphärische Schichten.

Die Ionosphäre ist die Schicht der Atmosphäre zwischen 50 und 1000 km über der Erde. Diese äußere Schicht der Erde enthält elektrisch geladene Teilchen, die Ionen genannt werden. Sie beeinträchtigen die Übertragung des GNSS-Signals erheblich und verursachen Verzerrungen und Verzögerungen.

Da atmosphärische Fehler aufgrund ihres wechselnden Charakters schwer vorherzusagen sind, ist es schwierig, ihre genauen Auswirkungen auf die berechneten Positionen zu bestimmen.

Die durch die Ionosphärenaktivität verursachten Verzögerungen können je nach Art der Aktivität variieren:

• Die Zeit des Tages
• Die Saison des Jahres
• Geografischer Standort
• Die Sonnenaktivität

Grundlinien

Atmosphärische Fehler hängen auch von der Entfernung zwischen der Referenz-Basisstation und dem Rover-Empfänger ab. Der Abstand zwischen der Basisstation und dem Rover wird als Basislinie bezeichnet. Wenn die Basislinienfehler nicht berücksichtigt werden, verursachen sie insbesondere bei Anwendungen mit langen Basislinien erhebliche Positionsfehler.

Die Basisstation wird an einem genau bekannten Ort installiert. Sie schätzt GNSS-Fehler und sendet kontinuierlich Korrekturen an den Rover-Empfänger.

Der Rover-Empfänger verwendet dann diese Daten, um alle Fehler zu korrigieren und die genaue Position zu berechnen. Dies funktioniert gut, wenn sich die Basisstation und der Rover in der Nähe befinden.

Es ist bekannt, dass mehrere Empfänger, die in einem offenen Gebiet nebeneinander aufgestellt sind, in der Regel ähnliche Fehler aufweisen. Sowohl die Basisstation als auch die Rover-Empfänger erfahren die gleiche Verzögerung durch die Ionosphäre und haben daher identische Fehler. Dies wird als Standard-GNSS-Fehler bezeichnet.

Dank dieser einzigartigen Eigenschaft können wir die relative Entfernung zwischen den Empfängern genauer berechnen. Dies erleichtert es den Systemen, atmosphärische Fehler zu korrigieren.

Warum ist die lange Basislinie jetzt besonders interessant?

Wenn die Basislinie lang ist, führt die ionosphärische Aktivität zu erheblichen Diskrepanzen zwischen der Basisstation und dem Rover. Mit zunehmender Sonnenaktivität nehmen auch die Schwankungen in der Ionosphäre zu.

Alle elf Jahre kippt das Magnetfeld der Sonne komplett um.

Dies führt zu einer erhöhten Sonnenaktivität (Höhepunkt zwischen 2023 und 2025). Viele moderne Korrektursoftwarepakete bieten Lösungen zur Berücksichtigung der langen Basislinie und der Sonnenaktivität.

Wie können GNSS-Nutzer die Auswirkungen erhöhter ionosphärischer Aktivität minimieren?

Verringerung der Auswirkungen erhöhter ionosphärischer Aktivität auf den GNSS-Betrieb:

• Stellen Sie sicher, dass Ihre GNSS-Sensoren mit der aktuellsten Software ausgestattet sind, um die beste Leistung bei der Verfolgung und Positionierung mit GNSS zu erzielen.
• Nutzen Sie verschiedene GNSS-Systeme wie GPS, GLONASS, Galileo und Baidu, sofern sie zugänglich sind. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Beobachtungen, die für die Positionsbestimmung verwendet werden, und es wird ein breiterer Bereich von verfolgten GNSS-Signalen erfasst. Mehr Daten führen zu größerer Zuverlässigkeit.
• Führen Sie bei hochpräzisen kartographie Aufgaben zwei oder mehr Messungen zu verschiedenen Zeiten und unter unterschiedlichen ionosphärischen Bedingungen durch.
• Prüfen Sie den aktuellen Einfluss der Ionosphäre in Ihrem Gebiet mit Hilfe verschiedener GNSS-Korrekturdienstanbieter.
• Wählen Sie eine GNSS-Korrekturmethode, die Ihren Anforderungen entspricht.

GNSS-Fehlerkorrekturen - RTK vs. PPK

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der alles perfekt ist: keine Fehler der Geräte, die die Signale empfangen, keine Probleme mit den Satelliten und keine Störungen durch die Atmosphäre. In dieser idealen Welt könnte GNSS Standorte mit unglaublicher Präzision lokalisieren.

Aber in der Realität können Fehler passieren. Es gibt eine Möglichkeit, diese Fehler zu reduzieren. Dies geschieht mit dem Differential-GPS (DGPS). DGPS nutzt Informationen von mehreren Empfängern, um die Fehler abzuschätzen und sie zu beseitigen.

Anwendungen, wie kartographie, erfordern eine höhere Präzision. Dies hängt von der Technologie und den Korrekturmöglichkeiten des Empfängers ab.

Zur Behandlung des Fehlers auf der Empfängerseite können verschiedene Korrekturverfahren angewendet werden.

• Real-Time Kinematic (RTK)
• Nachbearbeitete Kinematik (PPK)

RTK-Korrekturen

RTK verwendet einen Referenzpunkt, z. B. eine Basisstation, die sich in der Nähe des GPS-Geräts befindet, dessen Position wir ermitteln wollen (Rover genannt).

Wenn man weiß, wo sich die Basisstation befindet und einen Algorithmus verwendet, kann RTK Fehler ausgleichen, die sowohl die Basisstation als auch den Rover betreffen. Diese Fehler können von den Satelliten und/oder der Atmosphäre herrühren.

Um Fehler aus der Atmosphäre zu beheben, müssen der Rover und die Basisstation mit denselben Fehlern konfrontiert werden. Deshalb müssen sie nahe beieinander sein.

Dank RTK kann das GPS bis auf 1 Zentimeter genau sein. Diese RTK-Methode ist sehr effektiv für genaue GPS-Lösungen, insbesondere für Land kartographie.

PPK-Korrekturen

PPK ermöglicht eine genaue Nachbearbeitung von GNSS-Daten, um die Qualität der Standortinformationen zu verbessern. Es ist besonders wertvoll in Szenarien mit schwierigen GNSS-Signalbedingungen und liefert zuverlässigere und präzisere Ergebnisse.

 

Es wird häufig für Anwendungen wie Drohnenkartierung, geodätische Vermessungen und Vermögensverwaltung eingesetzt.

Die große Frage ist nun, welche Korrekturmethode die beste ist. Dies hängt von einer Reihe von Faktoren wie Standort, Länge der Basislinie, ionosphärische Aktivität, Genauigkeitsanforderungen, Zuverlässigkeit und Budget ab.

RTK und PPK GNSS-Fehlerkorrekturverfahren

Vergleichen wir zwei der beliebtesten Korrekturmethoden:

Kriterien	RTK	PPK
Korrektur der Daten	Bietet eine Live-Korrektur der erfassten Standortdaten.	Erfasst zunächst die gesamten Standortdaten und liefert die Korrektur extern.
Nachbearbeitung	Erfordert keine Nachbearbeitung der Daten und somit auch keine Nachbearbeitungssoftware.	Erfordert spezielle Software.
Signalstärke zwischen der Basisstation und dem Rover	Es muss eine ständige Verbindung zwischen der Basisstation und dem Rover-Empfänger bestehen. Ein Signalverlust führt zum Verlust von Daten und damit zu mehr Fehlern.	Erfordert keine starke Signalstärke zwischen der Basisstation und dem Rover-Empfänger.
Arbeitsumfeld	Funktioniert am besten unter freiem Himmel, wenn es keine Hindernisse wie Bäume, Gebäude oder Berge gibt. Wenn Hindernisse die GNSS-Signale blockieren, ist es schwierig, die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.	Selbst an Orten mit Hindernissen (Tunnel, Brücken, Täler) bleibt die Genauigkeit im Dezimeterbereich erhalten. Dies wird durch algorithmische Artefakte wie die Backward-Forward-Verarbeitung ermöglicht.
Grundlinien	Funktioniert für Basislinien bis zu 30 km.	Bewertet und kompensiert ionosphärische Fehler bei längeren Basislinien.
Wiederherstellung beschädigter Protokolle	K.A.	Kann ein beschädigtes Protokoll, das durch starke Sonnenaktivität beeinträchtigt wurde, mit Hilfe von "long baseline a posteriori" wiederherstellen
Sonnenaktivität	Die Sonnenaktivität wird bei der Berechnung der Daten nicht berücksichtigt.	Berücksichtigt die Sonnenaktivität, um zwischen langem und kurzem Basislinienmodus zu entscheiden.