Heft 51/1996

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie


 
Heft 51/1996

BLOMENHOFER, Helmut

Untersuchungen zu hochpräzisen kinematischen DGPS-Echtzeitverfahren mit besonderer Berücksichtigung atmosphärischer Fehlereinflüsse

Dissertation
X, 166 S.

Auflage:  450

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

 


Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuß:  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. A. Schödlbauer
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Beutler

Die Dissertation wurde am 11. August 1995 bei der Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  21. Dezember 1995
 



Verkürztes Inhaltsverzeichnis

Abstract ii
Zusammenfassung ii
Inhaltsverzeichnis iii
Abbildungsverzeichnis vi
Tabellenverzeichnis x
 
1  Einleitung, Zielsetzung und Überblick 1
 
2  Das Global Positioning System 4
    2.1  Entwicklung und Aufgaben von Raum- und Kontroll-
           segment

4
    2.2  GPS Signalstruktur und Systemgenauigkeit 6
    2.3  Der GPS-Empfänger 8
 
3  Formulierung eines Auswertemodells für die
    DGPS-Datenprozessierung in Echtzeit

17
    3.1  Die Beobachtungsgleichungen 17
    3.2  Linearkombinationen von GPS-Trägerphasen-
           beobachtungen

21
    3.3  Das Gauß-Markov-Modell 24
    3.4  Das diskrete Kalman Filter 25
    3.5  Methoden zur Berechnung von phasengeglätteten
           Lösungen

28
    3.6  Die Bestimmung der Phasenmehrdeutigkeiten in der
           Bewegung

30
 
4  Modellierbarkeit von GPS-Signalverhalten im
    Hinblick auf die Phasenmehrdeutigkeitsbestimmung

43
    4.1  Der Signalverlauf in der Atmosphäre 43
    4.2  Die troposphärische Refraktion 45
    4.3  Die ionosphärische Refraktion 73
    4.4  FISAR - „Functional Integer Scaling for Ambiguity
           Resolution

95
    4.5  Mehrwegeausbreitungen 106
 
5  Bestimmung der Meeresoberfläche mit GPS in
    Bojen zur Radaraltimeterkalibrierung von TOPEX/
    POSEIDOPN und Validierung des ERS-1 Bias


117
    5.1  Prinzip der Satellitenaltimetrie 117
    5.2  Bisherige Verfahren zur Radaraltimeterkalibrierung 119
    5.3  Beschreibung der Kalibrierungsmethode GPS in Bojen 120
    5.4  Die Lampedusa Kalibrierung 121
    5.5  Durchführung der Messungen 125
    5.6  GPS Datenanalyse 129
    5.7  Altimeter Bias-Bestimmung mit GPS in Bojen 133
    5.8  Vergleich der Wellenbewegung 137
    5.9  Schlußbemerkungen zu GPS in Bojen 138
 
Zusammenfassung und Schlußfolgerungen 138
 
7  Literaturverzeichnis 141
 
Anhang A:  Einige Modelle zur Berechnung der tropo-
                   sphärischen Refraktion

152
 
Anhang B:  Das Klobuchar Modell zur Berechnung der
                   ionosphärischen Refraktion

163
 
Lebenslauf 165
Dank 166
 

 
Zusammenfassung

Nach einem allgemeinen Überblick zu den aktuellen Systemgegebenheiten des Raum- und auch des Nutzersegments in Kapitel 2 wurden in Kapitel 3 die mathematischen Grundlagen der Differential-GPS Datenverarbeitung in Echtzeit gelegt. Hierzu wurde eine Implementierung in Form eines Kalman Filters gewählt. Einige Algorithmen zur Bildung von phasengeglätteten Lösungen wurden besprochen. Die implementierte Form der „On-the-fly” Phasenmehrdeutigkeitsbestimmung für Prozessierungen in Echtzeit und einige vielversprechende Alternativen konnten im Detail vorgestellt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die epochenweisen Suchzeiten zur Ambiguitätsbestimmung mittlerweile so gering sind, daß die Echtzeitverarbeitung durchaus möglich ist. Kritischer ist dagegen die Zeit zur ersten Fixierung nach einem Kaltstart oder nach Phasenglättungsmethoden, da einige Zeit erforderlich ist, um vom Genauigkeitsniveau der differentiellen Code-Positionen auf das Niveau der geglätteten Lösungen zu kommen. Durchschnittszeiten aus der Praxis liegen zwischen 2 und 10 Minuten. Hier spielen unmodellierte Restfehler eine große Rolle.

Neben den absichtlichen Systemverschlechterungen durch S/A und A-S hat es sich bei praktischen Experimenten häufig gezeigt, daß vor allem unterschiedliche Signalausbreitungen in der Troposphäre und Ionosphäre, sowie Mehrwegeausbreitungen auf einzelnen Kanälen die Positionslösungen erheblich verschlechtern. Besonders eine eindeutige Festsetzung der sensitiven L1 Trägerphasenmehrdeutigkeiten ist bei vorhandenen unmodellierten Fehlern oft nicht mehr möglich. Daher liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Beschreibung solcher differentieller Resteffekte, welche durch unterschiedliche Signallaufzeiten in der Ionosphäre und der Troposphäre verursacht werden. Prädiktionsmodelle zur troposphärischen Refraktion befinden sich derzeit in einigen Gebieten als sogenannte 3d-Wettermodelle im Aufbau (z.B. Höflinger, 1993). Jedoch muß es sich erst noch zeigen, inwieweit die Auflösung, die Aufdatierung und auch die Verbreitung der meteorologischen Daten ein praktikables Arbeiten und eine Verbesserung von Differential-GPS in Echtzeit ermöglichen. Bei der Überwachung langer Basislinien steht die Notwendigkeit der Verwendung meteorologischer Messungen, bzw. von Wettermodellen als Eingangsgrößen in die Troposphärenmodelle dagegen außer Frage. Mit Prädiktionsmodellen zur ionosphärischen Refraktion ist es möglich, aktuelle Meßwerte z.B. an permanten Trackingstationen mit Modellen zu kombinieren (z.B. Wild, 1994). Damit lassen sich Korrekturen der ionosphärischen Refraktion bis ca. 90% erzielen. Jedoch bleibt auch hier die Frage der Auflösung des Modells, sowie der zeitlichen Aufdatierung und der Datenübertragung zum Nutzer zu klären.

Es stellte sich bei einer großen Anzahl von Datenprozessierungen heraus, daß ein funktionaler Zusammenhang zwischen den atmosphärischen Verzögerungen der beobachteten Signale pro GPS-Station vorliegt. Diese empirischen Beobachtungen wurden zugrunde gelegt, um ein funktionales Modell zu entwickeln, welches bei der differentiellen GPS Datenauswertung auch in Echtzeit eingesetzt werden kann. Dabei werden aus den GPS Beobachtungen Korrekturwerte in Form eines Skalierungsfaktors bestimmt und an die Messungen der nächsten Epoche angebracht. Die mathematische Herleitung des Modells ist ausführlich beschrieben und auch Abschätzungen der Wirkungsweise konnten durch Simulationen gezeigt werden. Diese Vorgehensweise erlaubt es, bei nahen bis mittleren Entfernungen Ionosphärenmodelle und Troposphärenmodelle mit Standardwetterwerten als Eingangsgrößen für die Schätzung der differentiellen atmosphärischen Situation zu verwenden. Mit Hilfe der aktuellen GPS-Messungen werden die differentiellen atmosphärischen Laufzeitunterschiede im Auswerteprozeß geschätzt. Die praktische Anwendung „GPS in Bojen” lieferte eine anspruchsvolle Herausforderung zur Phasenmehrdeutigkeitsbestimmung, da im Sommer 1992 nur wenige (meist < 6) Satelliten simultan sichtbar waren und die Satelliten oft unter sehr niedrigen Elevationswinkeln beobachtet werden mußten. Niedrige Satellitenbeobachtungen sind jedoch wesentlich stärker durch die troposphärische und die ionosphärische Refraktion beeinflußt und deren Modellierung ist ungenauer, als bei hohen Satellitenbeobachtungen. Doch gerade bei zusätzlichen Beobachtungen niedriger Satellitensignale stellten sich die Stärken von FISAR heraus, da der funktionale Zusammenhang zwischen den Beobachtungen über die Mapping-Funktion die Lösung stabilisierte.

Sobald permante Prädiktionen des Wettergeschehens für die Troposphäre und der Verteilung des Elektronengehalts für die Ionosphäre in Echtzeit zur Verfügung stehen, können die präzidierten Meßdaten als Ausgangswerte bei der funktionalen Skalierung eingesetzt werden. Dadurch würde sicherlich eine Beschleunigung der Konvergenz des Systems erreicht werden.

Atmosphärische Verzögerungen in einzelnen Kanälen, die z.B. durch kleinräumige ionosphärische Störungen und Fluktuationen der Wasserdampfverteilung hervorgerufen werden, sind jedoch nicht eliminiert, bilden aber einen kleineren Anteil an den Gesamteinflüssen. Nach Wanninger (1994) gilt bei ionosphärischen Störungen die Regel, daß bei kürzerer Beobachtungsdauer die zu erwartenden Koordinatenfehler größer sind. Problematisch sind nach wie vor extreme ionosphärische Verhältnisse in Äquatornähe, die das Empfängerverhalten so nachteilig beeinflussen können, daß es zu Signalausfällen kommt.

Die Mehrwegeausbreitung ist immer noch eine der großen Herausforderungen der GPS Datenverarbeitung. Es kann aber davon ausgegangen werden, daß Mehrwegeausbreitungen in Zukunft im Korrelationsprozeß verbesserter GPS-Empfänger eliminiert oder zumindest die Beeinflussung stark reduziert wird.

Vorliegende Arbeit konnte vor allem einen Beitrag zur Korrektur differentieller atmosphärischer Einflüsse liefern. Mit Hilfe von FISAR konnte die Verfälschung von phasengeglätteten Positionslösungen durch differentielle atmosphärische Unterschiede deutlich reduziert werden. Bei der Trägerphasenmehrdeutigkeitsnestimmung sind die Vorteile von FISAR, daß unmodellierte Restfehler beseitigt sind und daher die richtigen Ambiguitäten schneller gefunden werden. Die Sicherheit des gefundenen Ergebnisses ist zudem höher, da falsche Fixierungen seltener vorkommen. Für die Deformationsmessung ist es sicherlich von Vorteil, daß mit FISAR Restfehler in den fixierten Phasenbeobachtungen eliminiert werden. Bei vielen ingenieur-technischen Anwendungen ist daher mit einer Genauigkeitserhöhung durch FISAR zu rechnen. Dabei beschränkt sich das funktionale Modell nicht auf Differential-GPS, sondern kann auch bei zukünftigen DGNSS („Differential Global Navigation Satellite Systems”) Anwendungen eingesetzt werden. Wegen der unterschiedlichen Frequenzen bei GLONASS müßte das mathematische Modell von FISAR erst angepaßt werden, bevor es auch bei diesem Satellitensystem eingesetzt werden kann.

Die Möglichkeit der Echtzeitdatenverarbeitung eröffnet eine Vielzahl neuer Betätigungsfelder für DGPS und dürfte daher gerade bei industriellen Anwendungen auf großes Interesse stoßen.
 



Literatur:

Höflinger, W. (1993): Entwicklung von 3D Meteo-Modellen zur Korrektion der troposphärischen Refraktion bei GPS Messungen. 1. Zwischenbericht an das Bundesamt für Landestopographie. Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, Bericht Nr. 216. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, Zürich, II, 33, 5 S.

Wanninger, L. (1994): Der Einfluß der Ionosphäre auf die Positionierung mit GPS. Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen der Universität Hannover, Nr. 21. Geodätisches Institut der Universität Hannover, Hannover, IV, 137 S.

Wild, U. (1994): Ionosphere and Geodetic Satellite Systems: Permanent GPS Tracking Data for Modelling and Monitoring. Geodätisch-physikalische Arbeiten in der Schweiz, Band 48. Schweizerisch Geodätische Kommission, Zürich, 155 S.
 


 
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