In einem Alltagsszenario ist die Genauigkeit eines Standalone Global Navigation Satellite System (GNSS) mehr als ausreichend, um jemandem den Weg zu weisen, aber viele Anwendungen erfordern eine höhere Genauigkeit. Es wurden viele differentielle Korrekturtechnologien entwickelt, um die Genauigkeit von GNSS auf bis zu 1 cm zu verbessern und so ein breites Spektrum neuer Anwendungen zu ermöglichen.
Das Erreichen einer solchen Genauigkeit erfordert die Beachtung des Referenzrahmens, der für Berechnungen und Positionierungsergebnisse verwendet wird. Ein Thema, das in Geodäsie und Datumstransformationen behandelt wird, was jedoch den Rahmen dieses Artikels sprengt.
GNSS-Korrekturen
Die Verbesserung der GNSS-Genauigkeit beruht auf der Korrektur verschiedener Fehler.
Es gibt viele Arten von Korrekturen, die unterschiedliche Grade an Abdeckung und Leistung bieten.
Die wichtigsten werden in der folgenden Tabelle aufgeführt. In diesem Artikel werden wir die Grundlagen der gängigsten Korrekturen behandeln: eine kurze Erläuterung von DGNSS, gefolgt von ausführlichen Erläuterungen zu SBAS und RTK; und die Vorteile von PPK beschreiben.
Der nächste Artikel in dieser Reihe wird sich eingehender mit Ionoshield und PPP befassen.
Differenzielles GNSS (DGNSS)
Das traditionelle codebasierte DGNSS geht von einer einfachen Annahme aus: Satellitenfehler und lokale atmosphärische Fehler werden in kleinen Gebieten als gleich angenommen. Ein Paar von GPS-Empfängern kann dann verwendet werden, um sowohl atmosphärische (ionosphärische und troposphärische) als auch Satellitenfehler zu eliminieren und so die Navigationsleistung zu verbessern.
In diesem Betriebsmodus wird eine GNSS-Basisstations-Empfänger innerhalb weniger Kilometer von der Betriebsreichweite des GNSS-Rover-Empfängers installiert. Die Basisstation überträgt einen Satz von Korrekturen an den Rover-Empfänger über ein HF- oder GSM-Modem. Der Rover-Empfänger kann diese Korrekturen dann verwenden, um eine differentielle Position (relativ zur Basisstation) zu berechnen.
Diese Technik kann die Navigationsgenauigkeit bis auf Submeter-Niveau verbessern, ist aber inzwischen überholt, da RTK zum Standard für hochgenaue Positionierung geworden ist.
SBAS (Satellite Based Augmentation System)
SBAS wurde entwickelt, um die sichere Navigation von Zivilflugzeugen zu ermöglichen. Es wird seither für viele andere Endanwenderanwendungen eingesetzt, die eine höhere Genauigkeit als ein Standalone-GNSS-Empfänger erfordern.
Das Konzept von SBAS besteht darin, ein Netzwerk von Referenzstationen zu nutzen, um Korrekturen zu berechnen, die die GPS-Leistung über ein weites Gebiet (kontinentale Abdeckung) verbessern können.
Diese Korrekturen werden dann von dedizierten geostationären SBAS-Satelliten ausgestrahlt. Moderne GNSS-Empfänger können diese Korrekturen direkt über ihre reguläre GNSS-Antenne verfolgen und in ihrer Positionierungs-Engine verwenden, z. B. SBAS, das eine Genauigkeit von 1 Meter liefert.
Das Hauptziel aller SBAS-Konstellationen ist nicht die Erzielung einer maximalen Genauigkeit, sondern die Ermöglichung, dass GNSS eine minimale Genauigkeit für die beabsichtigte Anwendung (Flugzeugnavigation und -landung) mit einem zusätzlichen Konzept der Integrität (genaue Messung des Positionsfehlers) erreicht.
Aktuell verwendete SBAS sind:
- WAAS für nordamerikanische Länder
- EGNOS für Europa
- GAGAN für Indien
- MSAS für Japan
Die meisten aktuellen SBAS bieten jedoch nur Korrekturen für die GPS-Konstellation, was sie für die Landnavigation suboptimal macht. Zukünftige SBAS-Lösungen (z. B. EGNOS V2) werden Multi-Konstellations-Korrekturen bereitstellen.
Technologie hinter SBAS
Die verschiedenen SBAS-Lösungen nutzen dieselbe Basistechnologie, um Korrekturen bereitzustellen. Sie bieten Korrekturen für:
- Satelliten-Uhrfehler
- Satelliten-Orbitabweichungen
- Atmosphärische Fehler
SBAS liefert auch Informationen zur Satellitenintegrität, die verwendet werden können, um Daten von fehlerhaften Satelliten zu verwerfen.
Atmosphärische Korrekturen werden ebenfalls mithilfe des Netzes von Basisstationen berechnet, um ein Muster der atmosphärischen Fehler zu erstellen. Der übertragene Fehlerwert entspricht der vertikalen Verzögerung, die durch die Atmosphäre an bestimmten Punkten, den sogenannten IGP (Ionospheric Grid Points), verursacht wird. Der Empfänger kann dann die Verzögerung für die verschiedenen Signale von jedem Satelliten korrigieren.
Mithilfe der von SBAS bereitgestellten Informationen kann der Empfänger Fehler in der Pseudorange-basierten Messung korrigieren und die Genauigkeit der Position auf etwa 1,2 m RMS horizontal und 1,6 m RMS vertikal verbessern. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber Standalone-GNSS, insbesondere für die vertikale Komponente.
Real Time Kinematic (RTK) und Post-Processed Kinematic (PPK)
Die RTK-Technologie wurde erstmals Mitte der 1990er Jahre für Vermessungsanwendungen eingeführt. Wie das traditionelle Differential Global Positioning System (DGPS) basiert RTK auf einer präzise lokalisierten Basisstation und Rover-GNSS-Empfängern.
Zwei wichtige Berechnungsschritte ermöglichen eine zentimetergenaue Positionierung:
- Doppelte Differenz
- Trägerphasenmessung und Mehrdeutigkeitsfestlegung
Doppelte Differenz
DGPS verwendet im Allgemeinen nur einfache Differenz- und Code-Messungen.
RTK hingegen fügt Phasenmessungen hinzu und verwendet einen “doppelte Differenz”-Ansatz. Bei dieser Methode werden die Basismessungen von den Rover-Messungen subtrahiert und alle Navigationssatellitenmessungen von einem Pivot-Satelliten subtrahiert.
Dieser Ansatz kann alle satelliteninduzierten Fehler, empfängerinduzierten Fehler sowie die atmosphärischen Fehler kompensieren, von denen angenommen wird, dass sie in der Nähe der Basisstation konstant sind.
Aus dieser Berechnung erhalten wir:
- Die Position des Rovers (Breite/Länge/Höhe) im Bezugssystem der Basisstation
- Die Zeit des Rovers
Die Entfernung zwischen der Basisstation und dem Rover wird als Baseline bezeichnet und ist ein Schlüsselfaktor bei RTK. Mit zunehmender Baseline erhöht sich das Fehlerbudget geringfügig, da die gemeinsamen atmosphärischen Fehler und die gemeinsamen Satellitenorbitfehler nicht vollständig aufgehoben werden. Dies ist das typische “+1ppm”, das in den RTK-Positionsgenauigkeitsspezifikationen zu finden ist.
Trägerphasenmessung und Mehrdeutigkeitsfestlegung
Die in unserem vorherigen Artikel eingeführte Trägerphasenmessung ist erforderlich, um die Fehler auf Zentimeterniveau zu reduzieren.
Die Herausforderung bei Trägerphasenmessungen besteht darin, dass sie von Natur aus mehrdeutig (oder unvollständig) sind. Es fehlt eine ganze Zahl von Trägerphasenzyklen in der Messung. Dieser fehlende Teil wird auch als “Mehrdeutigkeit” bezeichnet.
Der Real-Time Kinematic (RTK)-Positionierungsprozess beginnt mit der Schätzung dieser Mehrdeutigkeiten. Dieser Prozess wird auch als “RTK Float”-Modus bezeichnet. In diesem Modus konvergieren die Mehrdeutigkeiten langsam, sind aber keine ganzzahligen Werte. Dies ermöglicht es dem Empfänger, die Position zu glätten und eine Genauigkeit von etwa Dezimeterniveau zu erreichen.
Um maximale Genauigkeit und Robustheit zu erreichen, besteht der nächste Schritt darin, den ganzzahligen Wert für jede dieser Mehrdeutigkeiten in Echtzeit zu identifizieren. Dieser Prozess wird als ganzzahlige Mehrdeutigkeitsauflösung bezeichnet.
Das Ergebnis der Mehrdeutigkeitsauflösung maximiert die RTK-Genauigkeit und bietet eine größere Robustheit. Dies wird üblicherweise als “RTK Fixed”-Modus bezeichnet.
Wenn die Phasenverfolgung zu einem bestimmten Satelliten unterbrochen wird, tritt ein ‘Cycle Slip’-Ereignis auf und die ganzzahlige Mehrdeutigkeit für diesen Satelliten muss erneut aufgelöst werden. Aus diesem Grund wirken sich zu viele Cycle Slips (und insbesondere Cycle Slips auf allen Satelliten gleichzeitig) negativ auf die RTK-Leistung aus. Eine gute Antenne und Antennenplatzierung sowie eine saubere HF-Umgebung sind unerlässlich, um diese Ereignisse zu begrenzen.
Post-Processing Kinematics
Wie wir gesehen haben, ist RTK die Anwendung dieser Korrekturen “in Echtzeit“, was bedeutet, dass der Rover eine Datenverbindung zur Basisstation haben muss, um die RTK-Verarbeitung im Feld zu berechnen.
Einige Anwendungen benötigen die Trajektorie nicht in Echtzeit, könnten aber von einer höheren Genauigkeit oder einem einfacheren Setup profitieren. Post Processing Kinematic (PPK) kann diese Anforderungen erfüllen. Bei PPK erfasst der Rover seine eigenen rohen GNSS-Daten während der Datenerfassung, ohne Echtzeitkorrekturen zu empfangen. Später werden diese Daten mithilfe präziser Informationen von einer Basisstation oder einem Netzwerk von Referenzstationen nachbearbeitet.
PPK ermöglicht mehr Flexibilität bei der Datenerfassung, da es nicht auf Echtzeitkorrekturen angewiesen ist. Es wird häufig in Szenarien verwendet, in denen die Echtzeitkommunikation schwierig oder unnötig ist, wie z. B. bei der Luftbildkartierung, Drohnenvermessung oder wissenschaftlichen Forschung.
Vorteile der Verwendung von PPK für differentielle Korrekturen.
PPK bietet die folgenden Hauptvorteile bei der Verarbeitung von GNSS:
- Verbesserter Feld-Workflow: Ein wesentlicher Kostenfaktor einer RTK-basierten Mission ist die Sicherstellung, dass sich eine Basisstation in der Nähe befindet, die Einrichtung einer Basisstation bei Bedarf, die Sicherstellung einer zuverlässigen Datenverbindung usw. Qinertia verfügt über eine große Anzahl integrierter CORS-Netzwerke und einen direkten Zugriff auf Netzwerke von Drittanbietern. Dies eliminiert die Komplexität, die Verfügbarkeit einer Basis sicherzustellen und eine zuverlässige Datenverbindung einzurichten.
- Verbesserte Qualitätskontrolle: Viele Qualitätsindikatoren helfen bei der Beurteilung der tatsächlichen Leistung einer Verarbeitung. Dazu gehören erweiterte Statistiken, Separation (Differenz zwischen der während der Vorwärts- und der Rückwärtsverarbeitung berechneten Position/Lage) sowie GNSS-Signalindikatoren.
- Insgesamt verbesserte Leistung: Die RTK-Mehrdeutigkeitsauflösung kann einige Zeit dauern (von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten, abhängig von der Entfernung zur Basisstation und den atmosphärischen Bedingungen). Dies kann zu Beginn einer Erfassung oder unter schwierigen GNSS-Bedingungen erheblich sein. PPK mildert diese Effekte, indem es sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung verarbeitet, um die Fixrate zu maximieren. Die Leistung kann auch durch die Verwendung fortschrittlicherer Algorithmen oder durch die Verwendung genauer Satellitenephemeriden verbessert werden.