Egal, ob Sie durch die Wildnis wandern oder durch geschäftige Straßen der Stadt fahren, GNSS ist ein zuverlässiger Begleiter, der Sie mit höchster Genauigkeit führt. Obwohl stark beeinflusst von ionosphärischer Aktivität, den sogenannten ionosphärischen Fehlern, bieten wir eine neue Lösung zur Korrektur: Qinertia mit seinem Ionoshield-Modus.
Einführung in GNSS
Global Navigation Satellite System (GNSS) bezeichnet eine Konstellation von Satelliten, die Signale aus dem All senden und Positionierungs- sowie Zeitdaten an GNSS-Empfänger übertragen. Landwirtschaft, Kartierung, Transport, Navigation – die GNSS-Technologie hat ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen und im Alltag.
Einige der bekanntesten in Betrieb befindlichen GNSS-Systeme sind:
- Das vom US-Verteidigungsministerium entwickelte Global Positioning System (GPS) ist ein Netzwerk von Satelliten, die die Erde umkreisen. Derzeit gibt es 30 betriebsbereite GPS-Satelliten. Diese Satelliten übertragen kontinuierlich Signale, die Informationen über ihren genauen Standort und die Zeit enthalten.
- Das globale Navigationssatellitensystem GLONASS ist ein von Russland entwickeltes satellitengestütztes Navigationssystem. Das System umfasste ursprünglich eine Konstellation von 24 Satelliten.
- Galileo ist das globale Satellitennavigationssystem der Europäischen Union. Es soll ein unabhängiges Ortungssystem für Europa und andere Regionen bereitstellen.
- Das BeiDou Navigation Satellite System oder BDS ist das chinesische GNSS. Ursprünglich bot es eine regionale Abdeckung, aber mit der Fertigstellung der BeiDou-3-Konstellation bietet es nun globale Navigationsdienste.
Atmosphärische Fehler
Eine der bedeutendsten Fehlerquellen bei der GNSS-Positionierung kann der Atmosphäre zugeschrieben werden. Da die Satelliten und die GNSS-Signalempfänger weit voneinander entfernt sind, legt das GNSS-Signal Tausende von Kilometern zwischen Satellit und 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 Erdschicht enthält elektrisch geladene Teilchen, die Ionen genannt werden. Sie beeinflussen die Übertragung des GNSS-Signals erheblich, was zu dessen Verzerrung und Verzögerung führt.
Da atmosphärische Fehler aufgrund ihrer sich ändernden Natur schwer vorherzusagen sind, ist es schwierig, ihren präzisen Einfluss auf berechnete Positionen zu bestimmen.
Die durch die ionosphärische Aktivität verursachten Verzögerungen können je nach folgenden Faktoren variieren:
- Die Tageszeit
- Die Jahreszeit
- Geografische Lage
- Die Sonnenaktivität
Ausgangswerte
Atmosphärische Fehler hängen zudem von der Entfernung zwischen der Referenz-Basisstation und dem Rover-Empfänger ab. Der Abstand zwischen Basisstation und Rover wird als Baseline bezeichnet. Wenn Baseline-Fehler nicht berücksichtigt werden, führen sie insbesondere bei Anwendungen mit langer Baseline zu erheblichen Positionierungsfehlern.
Die Basisstation ist an einem präzise bekannten Standort installiert. Sie schätzt GNSS-Fehler ab und sendet kontinuierlich Korrekturen an den Rover-Empfänger.
Der Rover-Empfänger nutzt diese Daten dann, um alle Fehler zu korrigieren und die exakte Position zu berechnen. Dies funktioniert gut, wenn sich Basisstation und Rover nahe beieinander befinden.
Wir wissen, dass mehrere Empfänger, die nebeneinander in einem offenen Bereich aufgestellt sind, dazu neigen, ähnliche Fehler aufzuweisen. Sowohl die Basisstation als auch die Rover-Empfänger erfahren dieselbe Verzögerung durch die Ionosphäre und weisen daher identische Fehler auf. Dies wird als Standard-GNSS-Fehler bezeichnet.
Dank dieser einzigartigen Eigenschaft können wir den relativen Abstand zwischen den Empfängern genauer berechnen. Dies erleichtert es Systemen, atmosphärische Fehler zu korrigieren.
Warum steht gerade die lange Basislinie derzeit im Fokus?
Bei einer langen Basislinie führt die ionosphärische Aktivität zu erheblichen Abweichungen zwischen der Basisstation und dem Rover. Mit zunehmender Sonnenaktivität nehmen auch die Schwankungen in der Ionosphäre zu.
Alle elf Jahre kehrt sich das Magnetfeld der Sonne vollständig um.
Dies führt zu einer erhöhten Sonnenaktivität (Höhepunkt zwischen 2023 und 2025). Viele moderne Korrektur-Softwarepakete bieten Lösungen an, um die lange Basislinie und die Sonnenaktivität zu berücksichtigen.
Wie können GNSS-Nutzer die Auswirkungen erhöhter ionosphärischer Aktivität minimieren?
Um die Auswirkungen erhöhter ionosphärischer Aktivität auf den GNSS-Betrieb zu reduzieren:
- Stellen Sie sicher, dass Ihre GNSS-Sensoren über die aktuellste Software verfügen, um die beste Leistung bei Tracking und Positionierung mit GNSS zu erzielen.
- Nutzen Sie verschiedene GNSS-Systeme wie GPS, GLONASS, Galileo und Baidu, sofern diese zugänglich sind. Dies erhöht die Anzahl der für die Positionierung verwendeten Beobachtungen und bringt eine größere Bandbreite an getrackten GNSS-Signalen ein. Mehr Daten führen zu höherer Zuverlässigkeit.
- Führen Sie bei hochpräzisen Vermessungsaufgaben zwei oder mehr Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten und unter wechselnden ionosphärischen Bedingungen durch.
- Überprüfen Sie den aktuellen Einfluss der Ionosphäre in Ihrer Region mithilfe verschiedener Anbieter von GNSS-Korrekturdiensten.
- 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 können Fehler auftreten. Es gibt eine Möglichkeit, diese Fehler zu reduzieren. Hier kommt das Prinzip verschiedener differentieller GPS-Verfahren oder DGPS ins Spiel. DGPS funktioniert, indem Informationen von mehreren Empfängern genutzt werden, um die Fehler abzuschätzen und sie zu entfernen.
Anwendungen wie Vermessungen erfordern eine höhere Präzision. Dies hängt von der Technologie und den Korrekturfähigkeiten des Empfängers ab.
Zur Behebung von empfängerseitigen Fehlern können verschiedene Korrekturmethoden angewendet werden:
- Real-Time Kinematic (RTK)
- Post-Processed Kinematic (PPK)
RTK-Korrekturen
RTK nutzt einen Referenzpunkt, wie etwa eine Basisstation, die sich in der Nähe des GPS-Geräts befindet, dessen Standort ermittelt werden soll (als Rover bezeichnet).
Da der Standort der Basisstation bekannt ist und Algorithmen verwendet werden, kann RTK Fehler eliminieren, die sowohl bei der Basisstation als auch beim Rover auftreten. Diese Fehler können von den Satelliten und/oder der Atmosphäre stammen.
Um atmosphärische Fehler zu beheben, müssen Rover und Basisstation denselben Fehlereinflüssen ausgesetzt sein. Aus diesem Grund müssen sie sich nah beieinander befinden.
Dank RTK kann das GPS eine Genauigkeit von bis zu 1 Zentimeter erreichen. Diese RTK-Methode ist besonders für präzise GPS-Lösungen in der Landvermessung äußerst effektiv.
PPK-Korrekturen
PPK ermöglicht eine präzise Nachbearbeitung von GNSS-Daten, um die Qualität der Positionsinformationen zu verbessern. Es ist besonders wertvoll in Szenarien mit anspruchsvollen GNSS-Signalbedingungen und liefert zuverlässigere und präzisere Ergebnisse.
Es wird häufig in Anwendungen wie Drohnenkartierung, geodätischer Vermessung und Asset-Management eingesetzt.
Die große Frage lautet nun: Welche Korrekturmethode ist die beste? Dies hängt von einer Reihe von Faktoren wie Standort, Baseline-Länge, ionosphärischer Aktivität, Genauigkeitsanforderungen, Zuverlässigkeit und Budget ab.
RTK- und PPK-GNSS-Fehlerkorrekturmethoden
Vergleichen wir zwei der beliebtesten Korrekturmethoden:
| Kriterien | RTK | PPK |
|---|---|---|
| Datenkorrektur | Führt eine Echtzeitkorrektur der erfassten Standortdaten durch. | Erfasst zunächst alle Standortdaten und nimmt die Korrektur außerhalb des Standorts vor. |
| Nachbearbeitung | Es ist keine Nachbearbeitung der Daten erforderlich, sodass keine Nachbearbeitungssoftware eingesetzt werden muss. | Erfordert spezielle Software. |
| Signalstärke zwischen der Basisstation und dem Rover | Zwischen der Basisstation und dem Rover-Empfänger muss eine ständige Verbindung bestehen. Ein Signalverlust führt zu Datenverlusten und verursacht somit zusätzliche Fehler. | Es ist keine hohe Signalstärke zwischen der Basisstation und dem Rover-Empfänger erforderlich. |
| Arbeitsumfeld | Funktioniert am besten unter freiem Himmel, wenn keine Hindernisse wie Bäume, Gebäude und Berge vorhanden sind. Wenn Hindernisse die GNSS-Signale blockieren, ist es schwierig, eine zuverlässige Genauigkeit aufrechtzuerhalten. | Gewährleistet eine Genauigkeit im Dezimeterbereich auch an Orten mit Hindernissen (Tunnel, Brücken, Täler). Dies wird durch algorithmische Verfahren wie die Backward-Forward-Verarbeitung ermöglicht. |
| Ausgangswerte | Gilt für Basislinien von bis zu 30 km. | Ermittelt und kompensiert ionosphärische Fehler bei längeren Basislinien. |
| Wiederherstellung beschädigter Protokolle | k. A. | Mit Hilfe der „Long-Baseline-A-Posteriori“-Methode lässt sich ein durch starke Sonnenaktivität beeinträchtigtes Protokoll wiederherstellen. |
| Sonnenaktivität | Bei der Berechnung der Daten wird die Sonnenaktivität nicht berücksichtigt. | Berücksichtigt die Sonnenaktivität bei der Entscheidung zwischen dem Modus mit langer und dem Modus mit kurzer Basislinie. |
