Beherrschung ionosphärischer Fehler mit dem Qinertia Ionoshield-Modus

Ob Sie nun durch die Wildnis wandern oder eine belebte Stadtstraße entlangfahren, GNSS ist ein zuverlässiger Begleiter, der Sie mit höchster Genauigkeit führt. Allerdings wird es stark durch die ionosphärische Aktivität, sogenannte Ionosphärenfehler, beeinträchtigt. Wir bieten eine neue Lösung zur Korrektur an: Qinertia mit seinem Ionoshield-Modus.

Einführung in GNSS

Global Navigation Satellite System (GNSS) bezieht sich auf eine Konstellation von Satelliten, die Signale aus dem Weltraum liefern, die Positions- und Zeitdaten an GNSS-Empfänger übertragen. Landwirtschaft, Kartierung, Transport, Navigation - die GNSS-Technologie hat ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen und im Alltag.

Einige der wichtigsten in Betrieb befindlichen GNSS-Systeme sind:

• Das Global Positioning System oder GPS, das vom US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde, ist ein Netzwerk von Satelliten, die die Erde umkreisen. Derzeit gibt es 30 operative GPS-Satelliten. Diese Satelliten senden kontinuierlich Signale aus, die Informationen über ihren genauen Standort und ihre Zeit enthalten.
• Global Navigation Satellite Systems oder GLONASS ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das von Russland entwickelt wurde. Das System hatte eine anfängliche Konstellation von 24 Satelliten.
• Galileo ist das globale Satellitennavigationssystem der Europäischen Union. Es zielt darauf ab, ein unabhängiges Positionierungssystem für Europa und andere Regionen bereitzustellen.
• Das BeiDou Navigation Satellite System oder BDS ist das chinesische GNSS. Es bot zunächst regionale Abdeckung, aber mit der Fertigstellung der BeiDou-3-Konstellation bietet es nun globale Navigationsdienste.

Atmosphärische Fehler

Eine der wichtigsten Fehlerquellen bei der GNSS-Positionierung ist auf die Atmosphäre zurückzuführen. Da sich die Satelliten und die GNSS-Signalempfänger weit entfernt befinden, legt das GNSS-Signal Tausende von Kilometern zwischen dem Satelliten und dem Empfänger 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 als Ionen bezeichnet werden. Sie beeinflussen die Übertragung des GNSS-Signals erheblich und verursachen dessen Verzerrung und Verzögerung.

Da atmosphärische Fehler aufgrund ihrer sich ändernden Natur schwer vorherzusagen sind, ist es schwierig, ihre genauen Auswirkungen auf die berechneten Positionen zu bestimmen.

Die durch die ionosphärische Aktivität verursachten Verzögerungen können variieren, basierend auf:

• Die Tageszeit
• Die Jahreszeit
• Geografische Lage
• Die solare Aktivität

Baselines

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

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 diese Daten dann, um alle Fehler zu korrigieren und die genaue Position zu berechnen. Dies funktioniert gut, wenn sich die Basisstation und der Rover nahe beieinander befinden.

Wir wissen, dass mehrere Empfänger, die nebeneinander in einem offenen Bereich platziert werden, tendenziell ähnliche Fehler aufweisen. Sowohl die Basisstation als auch die Rover-Empfänger erfahren die gleiche Verzögerung aufgrund der 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 eine lange Baseline gerade jetzt von besonderem Interesse?

Bei langen Basislinien führt die ionosphärische Aktivität zu erheblichen Abweichungen zwischen der Basisstation und dem Rover. Mit zunehmender Sonnenaktivität nehmen die Schwankungen in der Ionosphäre zu.

Alle elf Jahre kehrt sich das Magnetfeld der Sonne vollständig um.

Dies führt zu erhöhter Sonnenaktivität (Höhepunkt zwischen 2023 und 2025). Viele moderne Korrektursoftwarepakete bieten Lösungen, um die lange Basislinie und die Sonnenaktivität zu berücksichtigen.

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

So reduzieren Sie die Auswirkungen erhöhter ionosphärischer Aktivität auf GNSS-Operationen:

• Stellen Sie sicher, dass Ihre GNSS-Sensoren über die aktuellste Software verfügen, um die beste Leistung bei der Verfolgung und Positionierung mit GNSS zu erzielen.
• Nutzen Sie verschiedene GNSS-Systeme wie GPS, GLONASS, Galileo und Baidu, falls diese zugänglich sind. Dies erhöht die Anzahl der für die Positionierung verwendeten Beobachtungen und bringt eine größere Bandbreite an verfolgten GNSS-Signalen ein. Mehr Daten führen zu größerer Zuverlässigkeit.
• Führen Sie bei hochpräzisen Vermessungsaufgaben zwei oder mehr Messungen zu unterschiedlichen Zeiten und unter unterschiedlichen ionosphärischen Bedingungen durch.
• Überprüfen Sie den aktuellen Einfluss der Ionosphäre in Ihrer Region mithilfe verschiedener GNSS-Korrekturdienstleister.
• 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 von den Geräten, die Signale empfangen, keine Probleme von den Satelliten und keine Störungen durch die Atmosphäre. In dieser idealen Welt könnte GNSS Standorte mit unglaublicher Präzision bestimmen.

Aber in der Realität gibt es Fehler, die auftreten können. Es gibt eine Möglichkeit, diese Fehler zu reduzieren. Dies ist die Aufgabe verschiedener differentieller GPS-Systeme oder DGPS. DGPS funktioniert, indem es Informationen von mehreren Empfängern verwendet, um die Fehler zu schätzen und zu beseitigen.

Anwendungen wie Vermessungen erfordern eine höhere Präzision. Diese hängt von der Technologie und den Korrekturfähigkeiten des Empfängers ab.

Verschiedene Korrekturmethoden können angewendet werden, um den Fehler auf der Empfängerseite zu beheben:

• Real-Time Kinematic (RTK)
• Post-Processed Kinematic (PPK)

RTK-Korrekturen

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

Durch die Kenntnis der Position der Basisstation und die Verwendung eines Algorithmus kann RTK Fehler beseitigen, die sowohl die Basisstation als auch der Rover gemeinsam haben. Diese Fehler können von den Satelliten und/oder der Atmosphäre herrühren.

Um Fehler aus der Atmosphäre zu beheben, müssen der Rover und die Basisstation den gleichen Fehlern ausgesetzt sein. Deshalb müssen sie nahe beieinander liegen.

Dank RTK kann das GPS bis zu 1 Zentimeter genau sein. Diese RTK-Methode ist sehr effektiv für genaue GPS-Lösungen, insbesondere für die Landvermessung.

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 in Anwendungen wie Drohnenkartierung, geodätischen Vermessungen und Anlagenverwaltung eingesetzt.

Nun ist die große Frage, welche Korrekturmethode die beste ist? Dies hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. Standort, Basislänge, ionosphärische Aktivität, Genauigkeitsanforderungen, Zuverlässigkeit und Budget.

RTK- und PPK-GNSS-Fehlerkorrekturmethoden

Vergleichen wir zwei der beliebtesten Korrekturverfahren:

Kriterien	RTK	PPK
Datenkorrektur	Bietet eine Live-Korrektur der erfassten Standortdaten.	Erfasst zunächst alle Standortdaten und bietet eine externe Korrektur an.
Nachbearbeitung	Erfordert keine Nachbearbeitung der Daten und somit auch keine Post-Processing-Software.	Erfordert spezielle Software.
Signalstärke zwischen der Basisstation und dem Rover	Es muss eine ständige Verbindung zwischen der Basisstation und dem Rover-Empfänger bestehen. Signalverlust führt zu Datenverlust und somit zu mehr Fehlern.	Erfordert keine starke Signalstärke zwischen der Basisstation und dem Rover-Empfänger.
Arbeitsumfeld	Funktioniert am besten unter freiem Himmel, wenn keine Hindernisse wie Bäume, Gebäude und Berge vorhanden sind. Wenn Dinge die GNSS-Signale blockieren, ist es schwierig, die Genauigkeit zuverlässig zu halten.	Erhält die Genauigkeit im Dezimeterbereich auch an Orten mit Hindernissen (Tunnel, Brücken, Täler). Dies wird durch algorithmische Artefakte wie die Vorwärts-Rückwärts-Verarbeitung ermöglicht.
Baselines	Funktioniert für Baselines bis zu 30 km.	Beurteilt und kompensiert ionosphärische Fehler bei längeren Baselines.
Wiederherstellung beschädigter Protokolle	N/A	Kann einen beschädigten, durch starke solare Aktivität beeinträchtigten Log mithilfe von „long baseline a posteriori” wiederherstellen.
Sonnenaktivität	Berücksichtigt bei der Datenberechnung keine solare Aktivität.	Berücksichtigt die solare Aktivität, um zwischen Long- und Short-Baseline-Modi zu entscheiden.