diplomarbeit

Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
DIPLOMARBEIT
Positionsbestimmung im freien Feld –
Genauigkeits- und Verfügbarkeitsanalyse von Positionsbestimmungsverfahren
vorgelegt von:
Michael Heerwagen
geboren am:
Studiengang:
Elektrotechnik und Informationstechnik
Studienrichtung:
Informations- und Kommunikationstechnik
Verantwortlicher Professor:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz
Verantwortlicher Betreuer:
Dipl.-Ing. Maik Debes
Beginn der Arbeit:
01.07.2004
Abgabe der Arbeit:
03.01.2005
Registriernummer:
2115 – 04D – 04
Könitz, den 30.12.2004
Danksagung
Ich möchte mich bei Herrn Prof. Dr. Jochen Seitz, Dipl.-Ing. Maik Debes und Herrn Dipl.Ing. Michael Heubach für die Unterstützung und Betreuung während der Erstellung dieser
Arbeit bedanken.
Mein besonderer Dank gilt Dipl.-Inf. Frank Recknagel für die Unterstützung bei der Umsetzung des Algorithmus zur Richtungserkennung.
Michael Heerwagen
Inhaltsverzeichnis
1.
2.
3.
4.
Einleitung................................................................................................................ 1
Grundlagen............................................................................................................. 3
2.1
Satellitenbahnen......................................................................................... 3
2.1.1 Keplersche Gesetze........................................................................ 3
2.1.2 Sichtbarkeitsbereich...................................................................... 3
2.2
Koordinaten- und Bezugssysteme............................................................ 4
2.2.1 Kartesisches Koordinatensystem.................................................. 5
2.2.2 Raumfestes Bezugssystem............................................................. 6
2.2.3 Erdfestes Bezugssystem................................................................. 7
2.2.4 Elliptisches Bezugssystem............................................................. 8
2.2.5 Geoid............................................................................................... 10
2.2.6 Geodätisches Datum...................................................................... 11
2.2.7 Längen- und Breitengrade............................................................ 12
NAVSTAR-GPS..................................................................................................... 14
3.1
Einführung................................................................................................. 14
3.2
Einwegmethode als Ortungsverfahren.................................................... 17
3.3
DGPS .......................................................................................................... 20
3.4
Systeme mit erweiterter Leistungsfähigkeit............................................ 22
3.4.1 Wide Area Augmentation System (WAAS)................................. 22
3.4.2 European Geostationary Navigation Overlay Service................ 23
3.4.3 Funktionsweise von EGNOS/WAAS............................................ 24
3.4.4 Abdeckungsbereich der geostationären Satelliten...................... 26
3.4.5 Unterschied zu DGPS ................................................................... 28
3.5
Der NMEA0183-Standard......................................................................... 28
3.5.1 GGA (Global Positioning System Fix Data)................................ 30
3.5.2 GSA (Global Navigation Satellite System (GNSS) DOP
and Active Satellites)..................................................................... 31
3.5.3 RMC (Recommended Minimum Specific GNSS Data).............. 32
Messungen.............................................................................................................. 33
4.1
Auswahl der Wegstrecken........................................................................ 33
4.2
Verwendete Hard- und Software............................................................. 35
4.2.1 Falcom GPS-Receiver................................................................... 35
4.2.2 Holux GPS-Receiver...................................................................... 35
4.2.3 Software.......................................................................................... 36
4.3
Verfügbarkeitsuntersuchungen................................................................ 37
4.4
Genauigkeitsmessungen............................................................................ 38
4.4.1 Genauigkeitsuntersuchungen mit der GPS-Karte
„Falcom NAVI-1“.......................................................................... 38
4.4.1.1 Messungen an den POI................................................... 38
4.4.1.2 Messungen an referenzierten Messpunkten................. 41
4.4.2 Genauigkeitsuntersuchungen mit der GPS-Karte
„Holux GM-270“............................................................................ 46
4.4.2.1 Messungen an den POI................................................... 46
4.4.2.2 Messungen an referenzierten Messpunkten................. 48
4.4.3 Messungen im „Exclusive-Mode“................................................ 52
4.5
Auswertung der Ergebnisse...................................................................... 53
4.5.1 Auswertung der Messungen an den POI..................................... 53
5.
6.
7.
4.5.2 Auswertung der Messungen an den KFP.................................... 53
4.5.3 Verbindungsaufbau und Verbindungssicherheit........................ 55
4.6
Verbesserung der Genauigkeit................................................................. 56
4.6.1 SISNeT............................................................................................ 56
4.6.2 Tag-Systeme................................................................................... 57
4.6.3 SAPOS............................................................................................ 60
Untersuchungen zur Feldstärke von Mobilfunknetzen..................................... 62
Richtungserkennung............................................................................................. 65
Zusammenfassung und Ausblick.......................................................................... 73
Literaturverzeichnis.......................................................................................................... 75
Abkürzungsverzeichnis..................................................................................................... 76
Abbildungsverzeichnis...................................................................................................... 77
Tabellenverzeichnis........................................................................................................... 77
Anhang A:
Anhang B:
Anhang C:
Anhang D:
Anhang E:
Anhang F:
Anhang G:
Messprotokolle........................................................................................... 79
E-Mail ESA................................................................................................ 104
E-Mail Steve Spitzer - Technical Director NMEA................................. 106
Beschreibung Messpunkte........................................................................ 107
KFP-Plan.................................................................................................... 110
Eigenständigkeitserklärung...................................................................... 113
Diplomthesen.............................................................................................. 114
1.
Einleitung
Im Zeitalter von Computern und Handys, von Mobilfunk und Internet spielt die Elektronik
auch in unserer Freizeit eine immer größere Rolle. Besonders bei Outdooraktivitäten wie
Wandern oder Radfahren nutzt man zunehmend nicht mehr nur Karten zur Orientierung. Man
vertraut auf kleine, elektronische Helfer zur Routenfindung. Diese Hilfsmittel zur
Bestimmung der Position im freien Feld nutzen in den meisten Fällen ein satelliten-gestütztes
Verfahren, das so genannte Global Positioning System, kurz GPS. Damit sich die Nutzer
solcher Systeme auch im unwegsamen Gelände oder in Extremsituationen auf diese verlassen
können, ist es wichtig zu wissen, wie zuverlässig und erreichbar solche Systeme sind. Diese
Gesichtspunkte bilden die Grundlage für diese Arbeit, in der die Verfügbarkeit und die
Genauigkeit von GPS untersucht werden soll. Die Untersuchungen beziehen sich dabei auf
das touristische Gebiet rund um Georgenthal und sollen einen Überblick über die Qualität
dieses Systems unter erschwerten Empfangsbedingungen liefern. Ferner sollen Verfahren zur
Verbesserung der Genauigkeit betrachtet und Möglichkeiten der Richtungserkennung
gegeben werden. Auch eine mögliche Verwendung des Mobilfunknetzes wird untersucht.
Dies Alles soll in Hinblick auf die Verwendung für das Projekt „TAS“ (Touristisches
Assistenzsystem für Urlaubs-, Freizeit- und Bildungsaktivitäten in Thüringen) erfolgen.
Die Arbeit ist folgendermaßen gegliedert:
•
Kapitel 2 beschäftigt sich mit den Grundlagen zur Satellitenbewegung und gibt einen
Überblick über die verschieden Koordinaten- und Bezugssysteme.
•
Das nächste Kapitel beschäftigt sich mit GPS und dessen verschiedenen Systemen und
gibt einen Einblick in die verwendeten Datenprotokolle.
•
Danach werden die vorgenommenen Messungen dargestellt und dessen Ergebnisse
ausgewertet.
•
Mit Untersuchungen zur Feldstärke von Mobilfunknetzen befasst sich das fünfte
Kapitel.
•
Im sechsten Kapitel wird die Möglichkeit einer Richtungserkennung mittels GPS
diskutiert und eine mögliche Umsetzung dargestellt.
•
Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Ergebnisse und eine Ausblick auf
weitere, eventuell notwendige Untersuchungen.
1
2.
Grundlagen
Das folgende Kapitel soll einen Überblick über die Grundlagen zur Bewegung von Satelliten
liefern. Des Weiteren wird genauer auf die verschiedenen Koordinaten- und Bezugssysteme
eingegangen. Dies geschieht mit dem Hintergrund, die Funktionsweise des GPS-Systems
besser verständlich zu machen und einen Überblick über die verschiedenen Koordinatensysteme zu geben.
2.1
Satellitenbahnen
2.1.1 Keplersche Gesetze
Jede Masse, die sich um einen Schwerpunkt bewegt, unterliegt den Keplerschen Gesetzen. So
folgen auch alle die Erde umkreisenden Satelliten, egal ob natürliche oder künstliche, diesen
Gesetzen. Daraus ergeben sich für diese folgende Erscheinungen:
•
Die Satelliten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, deren Brennpunkt die Erde ist (1.
Keplerschen Gesetz).
•
Der Radiusvektor (= Vektor Erde-Satellit) überstreicht in gleichen Zeitintervallen
gleiche Flächen (2. Keplerschen Gesetz).
•
Die Quadrate der Umlaufzeiten der Satelliten verhalten sich wie die dritte Potenz ihrer
mittleren Entfernungen von der Erde (3. Keplerschen Gesetz).
Die Bahn der Satelliten wird jedoch gestört und ist somit nicht exakt elliptisch. Dies liegt
daran, dass die Erde keine Kugel mit gleichmäßig verteilter Dichte ist und sie sich nicht allein
im Weltraum befindet. Dadurch kommt es zu weiteren Beeinflussungen wie die Schwerkraft
der Sonne und des Mondes, Gravitationsanomalien und dem Strahlungsdruck der Sonne. [1]
2.1.2
Sichtbarkeitsbereich
Um mit einem Satelliten und einem Punkt auf der Erdoberfläche eine Funkverbindung
aufbauen zu können, muss Sichtbarkeit vorliegen.
2
Sichtbarkeit eines Satelliten bedeutet, dass sein ausgestrahltes Signal ohne hindernisbedingte
Störungen im Ausbreitungsweg den Nutzer am Empfangsort erreicht. Dies wird auch als
quasioptische Sicht bezeichnet und ist bei Verwendung von Frequenzen oberhalb von 100
MHz notwendig. Von einem auf der Erde befindlichen Punkt aus betrachtet ist das der so
genannte Sichtbarkeitsbereich. Vom Satelliten aus betrachtet ist es der Überdeckungsbereich
auf der Erde. Der Sichtbarkeitsbereich ändert sich auf Grund der Bewegung des Satelliten und
der Erddrehung ständig. Wenn es dann noch zu einer Bewegung des Beobachtungspunktes
kommt, so kann das durchaus dazu führen, dass man den Sichtbarkeitsbereich verlässt. Dieser
Zusammenhang kann aus dem Verlauf der Spur des Satelliten ersehen werden. Die Spur ist
der geometrische Ort aller Punkte auf der Erdoberfläche, die zu irgendeinem Zeitpunkt auf
der Verbindungslinie Satellit-Erdmittelpunkt liegen. Dabei pendelt die Spur zwischen den
geographischen Breiten ψ = ±i, wobei i die Inklination der Satellitenbahn ist (Bild 2.1).
Ein Satellit ist auf der Erdoberfläche innerhalb eines Winkels α/2 beiderseits der Spur von der
Erde aus sichtbar (Bild 2.2).
Der Sichtbarkeitswinkel ist gleich
α = 180 ° − 2 ⋅ arcsin
R
.
R+h
(2.1)
R = 6378 km, mittlerer Erdradius,
h Höhe der Satellitenbahn über der Erde
Perigäum
Satellit
r
ν
ω
Ω
Satellitenbahn
ψ
Satellitenspur
Äquator
Apogäum
Bild 2.1: Elliptische Bahn eines Satelliten
3
α
γ
R
h
Satellit
Erde
Bild 2.2: Geometrische Beziehung zwischen Erde und Satellit
Der Winkel α gilt für die durch den geometrischen Horizont gegebene Sichtweite. Der
geometrische Horizont ist in Annäherung gleich dem optischen Horizont, der auch für die
Funkverbindung gilt und als quasioptischer Horizont bezeichnet wird. Auf Grund der
Topographie der Erdoberfläche wird jedoch, bei geringen Erhebungswinkeln, die
quasioptische Sicht verhindert. Eine (Funk-)Verbindung bis zum quasioptischen Horizont ist
somit nicht immer möglich. Deshalb wird in der Praxis meist mit einem minimalen
Erhebungswinkel (mask angle) von 10 Grad gerechnet. Daraus ergibt sich ein reduzierter
Sichtbarkeitswinkel α’. Ein Satellit ist somit innerhalb eines Winkelbereiches von ± α’/2
beiderseits der Satellitenspur sichtbar und kann darin für eine Ortung genutzt werden. Die
durch den Winkel α’ eingeschlossene Fläche auf der Erde ist die Sichtbarkeitsfläche und wird
auch als Überdeckungsbereich bezeichnet. Bei einem geostationären Satelliten mit einer
Bahnhöhe von 35790 km über der Erde beträgt der Sichtbarkeitswinkel α’ = 142,9 Grad. Der
prozentuale Anteil der Sichtbarkeitsfläche zur gesamten Erdoberfläche ist gleich 34,1 %. Orte
auf der Erdoberfläche, deren geographische Breite größer als +71,5 Grad oder kleiner als
-71,5 Grad ist, werden von geostationären Satelliten nicht erfasst und können nicht für die
Ortung verwendet werden [1].
2.2
Koordinaten- und Bezugssysteme
Um die Position von Objekten auf der Erde oder im Raum bestimmen zu können, ist es
notwendig, Bezugspunkte festzulegen. Auf diese Bezugspunkte beziehen sich dann die
erforderlichen Messungen. Die geographischen Koordinaten dieser Bezugspunkte sind
bekannt. Für die Positionsbestimmung befindet man sich somit in einem Bezugssystem,
4
welches durch die verwendeten Fixpunkte festgelegt ist. Für die Ortung bzw. Vermessung
mittels Satelliten sind die Satelliten selbst die Bezugspunkte. Die Koordinaten der Satelliten
sind bekannt. Je besser man diese kennt, umso genauer kann auch die Position der zu ortenden
Objekte bestimmt werden. Die exakte Angabe der Position der umlaufenden Satelliten bedarf
allerdings eines erheblichen rechnerischen Aufwands. Ein umlaufender Satellit mit einer
Bahnhöhe von 20000 km hat eine Geschwindigkeit von etwa 14000 km/h, d.h. er legt in einer
Millisekunde eine Strecke von 4 m zurück. Daraus lässt sich erkennen, wie schwierig die
Angabe der genauen Position des Satelliten zum Zeitpunkt der Ortung ist. Um aber eine
Genauigkeit von 1 m bei der Ortung zu gewährleisten, müssen die Koordinaten des Satelliten
auch auf Bruchteile von 1 m bekannt sein.
Bei der Satellitenortung verwendet man im Allgemeinen ein globales, geozentrisches
Bezugssystem, da die Satellitenbewegung um den Massenmittelpunkt der Erde erfolgt.
Für Ortungen im Weltraum werden raumfeste Bezugssysteme verwendet. Die Beziehungen
zwischen den einzelnen Bezugssystemen müssen definiert und zahlenmäßig bekannt sein.
Dabei spielt auch die Beobachtungszeit eine große Rolle, da sich die gegenseitige Lage mit
der Zeit ändert.
2.2.1
Kartesisches Koordinatensystem
Das kartesische Koordinatensystem ist das wohl geläufigste. Es besteht aus den 3 Achsen x, y
und z, welche jeweils einen Winkel von 90° zueinander haben. Ein Punkt wird eindeutig
durch die Angabe seines Positionsvektors beschrieben:
 xp 
 
sp =  yp 
 
z 
 p
(2.2)
xp, yp, zp sind reelle Größen.
5
z = z’
P
zp
y’
γ
y
xp
yp
γ
x’
x
Bild 2.3: Punkt P im räumlichen, kartesischen Koordinatensystem
Durch Drehung um die z-Achse mit dem Winkel γ lässt sich ein zweites Koordinatensystem
mit dem gleichen Ursprung und den Koordinaten x’, y’, z’ definieren. Dafür gilt die
Matrixoperation:
s ' p = R3 (γ ) ⋅ s P
(2.3)
mit der Drehmatrix
 cos γ

R3 (γ ) =  − sin γ
 0

sin γ
cos γ
0
0

0
1 
(2.4)
Ähnlich lassen sich durch Rotation um die x-Achse bzw. um die y-Achse Drehmatrizen
einführen.
2.2.2
Raumfestes Bezugssystem
Die Keplerschen Gesetze gelten nur in einem raumfesten Bezugssystem, in einem so
genannten Inertialsystem. Dies ist ein System, dessen Achsen raumfest sind und dessen
6
Ursprung keinen Beschleunigungen ausgesetzt ist. Ein mit der Erde fest verbundenes System
kann dies jedoch nicht gewährleisten. Aus diesem Grund ist ein solches Bezugssystem nicht
für die Beschreibung der Bewegung eines Satelliten geeignet. Verwendet wird deshalb ein
geozentrisches Inertialsystem, das seinen Ursprung im Massenmittelpunkt der Erde
(Geozentrum) hat. Da sich die Erde auf einer elliptischen Bahn um die Sonne bewegt,
unterliegt das Geozentrum einer Beschleunigung, so dass formal dieses System kein inertiales
Bezugssystem ist. Allerdings ist diese Beschleunigung so gering, dass man sie für den
vorliegenden Fall vernachlässigen kann. Ein solches System wird als Quasi-Inertialsystem
bezeichnet. Der Ursprung des Systems ist das Geozentrum. Außer dessen Koordinaten
müssen auch die Achsen und deren Lage festgelegt werden. Die Lage der Erdrotationsachse
zum Zeitpunkt des 1. Januars des Jahres 2000 wurde als z-Achse festgelegt. Die x-Achse liegt
in der Ebene senkrecht zur z-Achse in Richtung des vereinbarten Frühlingspunktes (siehe
dazu Bild 2.4). Dieses System trägt die Bezeichnung Convential Inertial System (CIS).
Für die Umrechnung von sphärischen Koordinaten α, δ, r in kartesische Koordinaten gelten
folgende Beziehungen (Bild 2.4):
x = r cos δ cos α
(2.5)
y = r cos δ sin α
(2.6)
z = r sin δ
(2.7)
und
r = x2 + y2 + z 2 .
2.2.3
(2.8)
Erdfestes Bezugssystem
Zur Angabe von Punkten auf der Erde und im erdnahen Bereich ist das oben beschriebene
Inertialsystem (das CIS) nicht geeignet, da dieses, auf Grund der Erdrotation, ständig andere
Koordinaten hätte. Deshalb muss ein mit dem Erdkörper verbundenes Koordinatensystem
verwendet werden. Dieses wurde wie folgt festgelegt und ist international gültig:
•
Ursprung des Systems: Massenmittelpunkt der Erde
•
z-Achse: Erdrotationsachse
7
•
y-Achse: Senkrecht zur z-Achse
z
Pol
P
R
δ
M
y
β
Äquator
x
Frühlingspunkt
Bild 2.4: Äquatorsystem der sphärischen Astronomie
Um zu einem eindeutigen erdfesten Bezugssystem zu kommen, muss als z-Achse die Lage
der Erdrotationsachse zu einem festgelegten Zeitpunkt vereinbart werden. Diese und weitere
Vereinbarungen haben zu dem Conventional Terrestrial System (CTS), auch Earth Centered
Earth Fixed System (ECEF) genannt, geführt.
2.2.4
Elliptisches Bezugssystem
Dieses Bezugssystem passt sich der Gestalt der Erde als Rotationsellipsoid weitestgehend an.
Die geometrischen Parameter dafür sind:
•
große Halbachse a (Äquatorachse)
•
kleine Halbachse b (Polachse)
•
Abplattung f = (a-b)/a
•
Exzentrizität der Bahnellipse.
Im globalen elliptischen System gelten die Größen:
8
•
elliptische Breite φ
•
elliptische Länge λ
•
elliptische Höhe h1.
z
P
h1
b
N
φ
y
λ
a
x
Bild 2.5: Kartesische und elliptische Koordinaten
Die Transformation der elliptischen Koordinaten φ, λ, h eines Punkts P in seine kartesischen
Koordinaten x, y, z (Bild 2.5) wird wie folgt beschrieben:
 x   ( N + h1 ) ⋅ cos ϕ cos λ 
  

P =  y  =  ( N + h1 ) ⋅ cos ϕ sin λ 
 z   (1 − e 2 ) N + h ⋅ sin ϕ 
1
  

[
]
(2.9)
wobei N der Normalkrümmungsradius ist
N=
=
a2
a 2 ⋅ cos 2 ϕ + b 2 ⋅ sin 2 ϕ
a2
b 1 + e′ 2 ⋅ cos 2 ϕ
.
(2.10a)
(2.10b)
9
a und b sind die große und die kleine Halbachse des Ellipsoids. Ferner sind e und e’ die erste
bzw. zweite numerische Exzentrizität:
2.2.5
e2 =
a2 − b2
a2
(2.11)
e′ 2 =
a2 − b2
.
b2
(2.12)
Geoid
Wie schon in den vorhergegangenen Kapiteln erwähnt, ist die Erde keine Kugel sondern ein
Rotationsellipsoid. Aber auch dieser ist in seiner Form nicht regelmäßig. Diese unregelmäßige
Form wird als Geoid bezeichnet. Das Geoid ist dann die Fläche, die dem mittleren Meeresspiegel entspricht und diesen somit auch unter dem Festland fortsetzt. Man kann sich dies so
vorstellen, dass das Geoid eine „mittlere Topographie“ der Erde nachbildet und dadurch die
Höhen und Vertiefungen ausgleicht. Er entspricht damit nicht der exakten Erdoberfläche bzw.
Topographie, sondern bildet diese im Mittel nach. Ein Ellipsoid hingegen würde die Erde nur
dann korrekt beschreiben, wenn es keine Berge und Täler gäbe und die Erdoberfläche
gänzlich eben wäre.
Die Abweichung des Geoids vom Ellipsoid ist die Geoidundulation U. Nach Bild 2.6 b) ist:
U = h−H ,
(2.13)
wobei h die auf den Ellipsoid und H die auf den Geoid bezogenen Höhen sind.
Bei globalen ellipsoiden Systemen werden die Parameter so gewählt, dass sich das
Referenzellipsoid der Erdgestalt möglichst gut anpasst. Für lokale Vermessungen wurde
bisher im Allgemeinen ein Ellipsoid verwendet, welcher die reale Erdoberfläche in dem
gewählten Gebiet genauer nachbildet. Die Beziehungen zwischen den globalen und lokalen
Bezugssystemen wird als geodätisches Datum bezeichnet.
10
Topographie
Meeresoberfläche
Ellipsoid
Meeresboden
a)
H
U
h
Ellipsoid
Geoid
Erdoberfläche
b)
Bild 2.6: Ellipsoid und Geoid
2.2.6
a)
Erdoberfläche und Geoid
b)
Höhenbeziehungen
Geodätisches Datum
Kartenbezugssysteme werden auch als Datum bezeichnet. Das geodätische Datum wird durch
neun Parameter festgelegt, die auch die Ellipsoidparameter beinhalten. Diese Anzahl kann
sich aber auch erhöhen. Es können u. a. Parameter des Erdschwerfeldes und fundamentale
Konstanten wie Lichtgeschwindigkeit und Erdrotationsgeschwindigkeit hinzugezogen
werden.
Das Satellitenpositionssystem GPS benutzt z.B. das Geodätische Weltsystem (World Geodetic
System) WGS 84 als Referenzsystem. Einige Parameter dessen sind in Tabelle 2.1 dargestellt.
Beispiele für andere Kartenbezugssysteme sind: WGS-72, CH1903, DHDN/PD (Rauenberg,
Bessel), ED50 (Potsdam).
In Thüringen ist das Potsdam Datum (PD83) das amtliche Bezugssystem. Da mit GPS
ellipsoidische geozentrische Koordinaten gemessen werden und sich diese auf den
11
Referenzellipsoid WGS 84 beziehen, ist für eine Überprüfung der Genauigkeit eine
Koordinatentransformation notwendig. Dies ist immer der Fall, wenn Messergebnisse aus
verschiedenen Bezugssystemen miteinander verglichen werden sollen.
Parameter
WGS 84
Große Halbachse a
6 378 137 m
Abplattung f
1/298,257223563
Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation ω
7,292115*10-5 rad/s
Geozentrische Gravitationskonstante GME
398600,5 km3/s2
Tabelle 2.1: einige Parameter des WGS 84 [1]
2.2.7
Längen und Breitengrade
Um eine Position auf der Erde bestimmen zu können, musste die Erdoberfläche erst eingeteilt
werden, um eine genaue Zuordnung der Punkte zu gewährleisten. Diese Einteilung erfolgte in
Längen- und Breitengrade. Der erste Breitenkreis ist der Äquator und wird als Nullpunkt für
die Messung definiert. Der Äquator steht senkrecht zur Erdachse und befindet sich genau in
der Mitte zwischen Nordpol und Südpol. Ausgehend hiervon misst man den Winkel in
Graden nach Norden und Süden jeweils bis 90 ° und gibt dies als nördliche bzw. südliche
Breite an. Dadurch entstehen weitere Breitenkreise als kreisförmige Linien um die Erde. Der
Abstand der ganzzahligen Breitengrade von etwa 111 km ergibt sich aus dem Erdradius und
dem Erdumfang. Ein Grad ist in 60 Bogenminuten aufgeteilt. Somit umfasst eine Bogenminute 1,852 km, was genau einer Seemeile entspricht. [4]
Zusätzlich zu den Breitenkreisen wurden noch Längenkreise festgelegt. Diese Kreise stehen
senkrecht auf dem Äquator und führen durch beide Pole. Der Nullmeridian verläuft durch die
Sternwarte im Englischen Greenwich. Die Längengrade werden, ausgehend vom
Nullmeridian, in östlicher und westlicher Richtung gemessen und reichen somit von 180 ° Ost
bis 180 ° West. Der Abstand einer Längenminute kann allerdings nicht allgemein angegeben
werden. Da das Gradnetz der Erde trapezförmige Maschen bildet, bei denen die kurze Seite
stets zu den Polen zeigt, entspricht eine Längenminute nur am Äquator exakt einer Seemeile.
Der Abstand der Längenkreise zu den Polen hin wird dagegen immer enger. Der Betrag einer
12
Längenminute kann aber über „cos Breite“ zu jedem Punkt der Erde ermittelt werden. Jeder
Ort auf der Erde kann nun über die Angabe von Breiten- und Längengraden exakt bestimmt
werden.
13
3.
NAVSTAR – GPS
Im folgenden Kapitel soll genauer auf GPS und dessen Ortungsverfahren eingegangen
werden. Daneben werden Systeme zur Erweiterung von GPS vorgestellt und ein Überblick
über verschiedene verwendete Übertragungsprotokolle gegeben.
3.1
Einführung
Das NAVigation Satellite Timing And Ranging – Global Position System (NAVSTAR-GPS)
wurde unter der Kontrolle des Verteidigungsministeriums der USA entwickelt und steht mit
Einschränkungen auch dem zivilen Nutzer zur Verfügung. Es ist das derzeit am weitesten
verbreitete System am Markt. Mit ihm soll ständig und überall eine Positionsbestimmung/ortung möglich sein.
GPS ist eine satellitenbasierte Positionsbestimmung. Die Nutzbarkeit solcher Systeme wird
durch die Indikatoren Sichtbarkeit und Verfügbarkeit beschrieben.
Von Sichtbarkeit spricht man, wenn das vom Satelliten ausgestrahlte Signal ohne hindernisbedingte Störungen im Ausbreitungsweg den Nutzer am Empfangsort erreicht (siehe Kapitel
2.1.2).
Der Begriff Verfügbarkeit impliziert, dass Sichtbarkeit vorliegt. Des Weiteren muss die
Bestimmung der Position mit einer bestimmten Genauigkeit erfolgen.
Zur Erzielung einer Ortung mit hoher Genauigkeit und Eindeutigkeit wird eine
verhältnismäßig große Bandbreite in der Größenordnung von einigen MHz benötigt. Solche
Übertragungsbandbreiten stehen nur in Frequenzen oberhalb 1000 MHz zur Verfügung.
Jedoch steigt auch mit zunehmender Frequenz die Dämpfung im Ausbreitungsweg der
elektromagnetischen Welle in der Atmosphäre, weshalb wiederum eine niedrige Frequenz von
Vorteil wäre. Darum hat man sich bei GPS für das L-Band (1 bis 2 GHz) als optimalen
Frequenzbereich für die Funkverbindung zwischen Satellit (Sender) und Nutzer (Empfänger)
entschieden.
Die Forderung nach uneingeschränkter, weltweiter Nutzung war für die Wahl der Satellitenbahn entscheidend. Es wurde ein Konzept mit mehreren umlaufenden Satelliten gewählt,
deren Bahnen gegenüber dem Äquator geneigt sind. Die Satelliten befinden sich im so
genannten Medium Earth Orbit (MEO, 10000 – 20000 km) und haben eine Höhe von etwa
20000 km.
14
Aus der großen Entfernung zwischen sendenden Satelliten und empfangendem Nutzer auf der
Erde ergibt sich, bei einer Sendeleistung von etwa 50 Watt, eine sehr geringe Empfängereingangsleistung. Für die Übertragung der Ortungsinformationen wurde eine codierte
Impulsfolge gewählt. Da die Störbarkeit umgekehrt proportional zur Empfängereingangsleistung ist, ist diese Signalform weitgehend störsicher. Die Ortungssignale werden
vom Satelliten als Modulation mit einer Trägerwelle hoher Frequenz bzw. zwei Trägerwellen
(Kurzbezeichnung Träger) übertragen. Alle Satelliten senden auf denselben Frequenzen. Über
das Codemultiplexverfahren (CDMA) lassen sich die Signale der einzelnen Satelliten
unterscheiden. Der für zivile Nutzer zugängliche C/A-Code (Coarse Aquisition Code) befindet
sich auf dem Träger L1. Mit ihm ist der Standard-Ortungsservice (Standard Positioning
Service SPS) möglich. Der P-Code oder P(Y)-Code wird über beide Träger gesendet. Mit
diesem erfolgt der Zugriff auf den Präzisions-Ortungs-Service (Precision Positioning Service
PPS). Dieser ist aber bis zur heutigen Zeit nur dem US-amerikanischen Militär vorbehalten.
Seit der Abschaltung der Selective Availibility (SA) im Jahr 2000 steht das GPS-System dem
zivilen Nutzer mit einer Genauigkeit von 20 m bei einer Sicherheitswahrscheinlichkeit von
W = 95% zur Verfügung. Selective Availibility stellte eine Reduzierung der Genauigkeit dar,
welche durch eine Verfälschung der GPS-Signale erreicht wurde.
Aus den in der Tabelle 3.1 zusammengestellten Kennwerten ist eine Übersicht zur Gesamtkonzeption von GPS ersichtlich.
15
Vorgabe
Konzeption
Aufgabe
Positionsbestimmung
Geschwindigkeitsbestimmung
Zeitinformationsgewinnung
Ortungsverfahren
Entfernungsmessung
Ortungsumfang
dreidimensional
Satelliten
Art
umlaufend
Anzahl
24
Bahnhöhe
20230 km
Sendefrequenzen der Satelliten
Träger L1
1575,42 MHz
Träger L2
1227,60 MHz
Ortungssignal
codierte Impulsfolge
Navigationsmitteilung
binäre Daten
Messgrößen
Entfernung durch Messen von
- Signallaufzeiten (Impulslaufzeitverfahren)
- Trägerphasendifferenz (kontinuierliche
Schwingungen, CW-Verfahren)
Genauigkeit der Positionsbestimmung
Positionsfehler bei Wahrscheinlichkeit
W=95%
- bei Messung der Signallaufzeiten
= 20 … 100 m
- bei Messung der Trägerphasendifferenz
= 3 … 30 cm
Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung
Geschwindigkeitsfehler: 3 m/s
Genauigkeit der Zeitinformation
Zeitfehler: 100 ns
Tabelle 3.1: Übersicht zur Grundkonzeption von GPS [1]
Das GPS-System besteht aus drei Segmenten:
-
Raumsegment
-
Kontrollsegment
-
Nutzersegment
16
Das Raumsegment umfasst dabei ausschließlich die für das GPS-System bestimmten
Satelliten. Im Jahre 1998 befanden sich 25 Satelliten im Weltraum, von denen bis heute noch
24 für die Nutzer zur Verfügung stehen.
Das Kontrollsegment beinhaltet die Kontrollstationen. Diese bestehen aus der Hauptkontrollstation, 5 Monitorstationen und 3 Bodensendestationen. Das Kontrollsegment dient
der Überwachung der Funktionen des Gesamtsystems, der Beobachtung von Satellitenbewegungen und Satellitenuhrzeiten sowie der Vorausberechnung von Satellitenbahnen
(Satellitenephemeriden) und Satellitenuhrzeiten.
Das Nutzersegment setzt sich aus der Anzahl der mit GPS-Empfängern ausgestatteten Nutzer
zusammen, die aus den verschiedensten Bereichen kommen. Die Nutzer können nach der Art
der Verwendung der von GPS gelieferten Informationen und der Messergebnisse gegliedert
werden. Eine andere Gliederung der Nutzer geht von der potentiellen Genauigkeit des
Systems aus [1].
3.2
Die Einweg-Methode als Ortungsverfahren
Die Ortung bei GPS erfolgt durch das Messen der Entfernung zwischen Satellit und
Empfänger. Bei diesem Ortungssystem ergeben sich als Standflächen Kugeloberflächen. Alle
Orte, an denen die empfangenen bzw. gemessenen Größen den gleichen Betrag haben, liegen
im Raum auf einer Fläche, welche dann als Standfläche bezeichnet wird. Das heißt, das zu
ortende Objekt befindet sich irgendwo auf dieser Fläche. Für eine Standortbestimmung im
Raum sind drei Standflächen erforderlich. Dazu müssen drei Entfernungen p1, p2 und p3 zu
den entsprechenden Bezugspunkten S1, S2 und S3 gemessen werden. Die Bezugspunkte sind
bei GPS die Satelliten. Der Schnittpunkt der drei Kugeloberflächen ist der reale Standort.
Allerdings tritt noch ein weiterer Schnittpunkt auf, welcher der scheinbare Standort ist.
Die Messung der Entfernung mit elektromagnetischen Wellen beruht auf der geradlinigen
Ausbreitung der Wellenfronten im ungestörten Raum sowie auf der konstanten und bekannten
Ausbreitungsgeschwindigkeit. Durch die Messung der Zeit, die das Signal beim Durchlaufen
der Strecke Sender-Empfänger benötigt, kann auf die Entfernung geschlossen werden. Dabei
nutzt GPS die Einweg-Methode.
Bei der Einweg-Methode durchläuft das Messsignal die zu messende Strecke nur einmal. Bei
der Form des Messsignals und der Art der Messung sind zu unterscheiden:
17
-
Messen der Laufzeit impulsförmiger Signale (Impulsverfahren)
-
Messen der Phasenwinkeldifferenz von kontinuierlichen Schwingungen
(CW (continuous waves)-Verfahren,)
Beide Verfahren finden bei GPS Anwendung. Allerdings ist das genauere und komplizierte
CW-Verfahren nur dem amerikanischem Militär vorbehalten und steht dem zivilen Nutzer
nicht zur Verfügung.
Bei der Ortung mit dem Impulsverfahren wird vom Sender S einer Funkstelle (bei GPS ein
Satellit) zum Zeitpunkt t = t0 ein Impulssignal ausgestrahlt. Dieses wird zum Zeitpunkt t = t1
nach dem Durchlaufen der Strecke p vom Empfänger der ortenden Stelle empfangen und
ausgewertet, indem die Zeitdifferenz t1 – t0 gemessen wird. Die Entfernung ist dann
p = c ⋅ (t1 − t 0 ) ,
(3.1)
wobei c = 2,99793 * 108 m/s die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist. Das Verfahren
erfordert allerdings eine Übereinstimmung der Uhrzeiten im Sender und Empfänger, da ein
Zeitunterschied von beispielsweise 1 * 10-9 s einen Entfernungsfehler von 0,3 m ergibt. Aus
diesem Grund benötigt man vier Satelliten für eine Messung. Der vierte Satellit dient nur dem
Abgleich der Uhren.
Satellit
U
A = Auswerteeinheit
E = Empfänger
S = Sender
U = Uhren
S
Senden:
zur Zeit t0
Entfernung p
ortende Stelle
E
A
Empfangen:
zur Zeit t1
U
Ortungsergebnis:
p = c ⋅ (t1 − t 0 )
S
t0
t
E
t1
t
Bild 3.1: Gerätekonfiguration und Signalverlauf nach der Einweg-Methode
18
Die Zeitsynchronität der Uhrzeiten in den Satelliten und im Empfänger ist praktisch nur sehr
schwer zu erfüllen und nahezu unmöglich. Außerdem treten Fehler beim Messen der
Entfernung auf. Diese können durch Einflüsse des thermischen Rauschens, variierende
Ausbreitungsbedingungen in Ionosphäre und Troposphäre, elektromagnetische Störungen
sowie unter Umständen SA hervorgerufen werden. Daher entspricht die gemessene
Entfernung nicht der realen geometrischen Entfernung. Die gemessene Entfernung wird
deshalb auch als Pseudorange bezeichnet. Sie setzt sich aus der realen Entfernung und
unterschiedlichen Fehlerkomponenten folgendermaßen zusammen:
ρ = R + c∆t + δ SA + δ trop + δ iono + n ρ .
(3.2)
ρ
Gemessene Pseudorange
R
Geometrische Distanz zwischen Satellit und Empfänger
∆t
Summe der Uhrenfehler von Satellit und Empfänger
δSA
Fehler durch die künstliche Verschlechterung (SA)
δtrop
Fehler durch die nicht genau bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit in der
Troposphäre (zwischen 2 m im Zenit und 20 m im „Worst-Case“-Fall am
Horizont)
δiono
Fehler durch die nicht genau bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit in der
Ionosphäre (zwischen 30 m im Zenit und 100 m im „Worst-Case“-Fall am
Horizont)
nρ
vom thermischen Rauschen und der Quantisierung des Signals bei der
A/D-Wandlung verursachtes Messrauschen, mit Standardabweichung σp
Tabelle 3.2: Zusammensetzung der Pseudorange (nach [3])
Weitere Fehler können durch unpräzise Vorherberechnungen der Satellitenbahnen und durch
Multipath-Effekte hervorgerufen werden.
Die Time to First Fix (TTFF) beschreibt die Zeit vom Start des GPS-Empfängers bis zur
ersten Messung. Unter guten Bedingungen beträgt sie nach einem Kaltstart 30-45 s, kann aber
auch über 2 min betragen. Wird die initiale Position durch ein Netzwerk (Mobilfunk, WLAN)
bestimmt, kann sich diese Zeit auf bis zu 1/10 s verkürzen.
19
Um die Genauigkeit von GPS zu verbessern, wurden zusätzliche Einrichtungen und Systeme
geschaffen. Dazu gehören in erster Linie:
-
DGPS (Differentielles GPS, siehe Kapitel 3.3)
-
Pseudoliten
-
(Weiträumige) Systemerweiterungen ((Wide Area) Augmentation System WAAS)
-
Empfängerseitige Integritätsprüfung (Receiver Autonomous Integrity Monitoring)
Ein typischer GPS-Empfänger für die zivile Nutzung bietet heute die Genauigkeit von bis zu
wenigen Metern. Mit Genauigkeit ist hier der Abstand der „wahren“ Position zum gemessenen Positionswert gemeint. Dies hängt jedoch stark von der Anzahl der empfangenen
Satelliten und von der Geometrie ab. Deshalb ist im praktischen Gebrauch eine Genauigkeit
von ca. 20 m zu erwarten. Mit DGPS, WAAS und EGNOS (European Geostationary
Navigation Overlay Service) kann man diese Werte allerdings noch weiter verbessern.
Eine Übersicht über die zu erwartende Genauigkeit gibt die Tabelle 3.3:
Genauigkeit des ursprünglichen GPS-Systems mit aktiviertem SA
± 100 m
Typische Positionsgenauigkeit ohne SA
± 15 m
Typische Differential-GPS (DGPS)-Genauigkeit
± 3-5 m
Typische Genauigkeit mit aktiviertem WAAS/EGNOS
± 1-3 m
Tabelle 3.3: Genauigkeit von GPS-Systemen (Quelle: [4])
3.3
DGPS
DGPS steht für Differentielles GPS und ist ein zusätzliches, wahlweise einsetzbares
Systemsegment. Die Erhöhung der Ortungsgenauigkeit wird durch eine Korrektur der bei der
Bestimmung der Pseudoentfernung bzw. Position auftretenden Fehler erreicht.
Das Verfahren beruht auf dem Vergleich der von einer (oder mehreren) Referenzstation
mittels GPS ermittelten Koordinaten mit den Koordinaten, die mit geodätischen Mitteln in
hoher Genauigkeit bestimmt wurden. Aus der Differenz der Koordinaten können dann die
Korrekturdaten berechnet werden. Diese Korrekturdaten ermöglichen für den Ort der
Referenzstation das Eliminieren von Fehlern, die durch die verschiedenen Laufzeit20
verzögerungen, durch Instabilität der Satellitenatomuhren, Störungen der Satellitenbahn und
Fehler bei der Vorhersage der Ephemeriden verursacht werden (siehe auch Kapitel 3.2.1). Ein
Nutzer kann bei Bedarf die über eine Sendeanlage ausgestrahlten Korrekturdaten empfangen
und zur Korrektur seiner gemessenen Werte verwenden. Dieses Verfahren ist für die zivilen
Nutzer, die mit dem Träger L1 und dem C/A-Code messen, entwickelt worden. Die
technischen Einrichtungen und der Betrieb von DGPS sind völlig unabhängig vom GPSNetzwerk.
Allerdings gelten die berechneten Korrekturwerte exakt nur für den Ort der betreffenden
Referenzstation. Die Genauigkeit hängt außerdem davon ab, wie exakt die geodätisch
bestimmten Koordinaten eingegeben wurden. Je größer die Entfernung des Nutzers zu der
Referenzstation ist, desto ungenauer wird die Korrektur, da sie den realen Fehler bei der GPSMessung am Ort des mobilen GPS-Empfängers zunehmend schlechter beschreibt. Für
Deutschland befindet sich die Referenzstation zur Ermittlung der Korrekturdaten in
Mainflingen (Frankfurt am Main). Diese sendet die Korrekturdaten über Langwelle. Der
Nutzer kann die Daten über einen speziellen DGPS-Langwellenempfänger in Verbindung mit
einer DGPS-Antenne empfangen und auswerten. Jedoch wird der Sender in Mainflingen im
Laufe des Jahres 2005 abgeschaltet. Eine Verwendung für das Projekt „TAS“ ist somit nicht
mehr möglich. Aus diesem Grund erfolgte keine Untersuchung der Verfügbarkeit und
erreichbaren Genauigkeit.
DGPS via Signalfeuer ist das älteste und einfachste DGPS-Verfahren. Ein Signalfeuer,
welches sich an einer bekannten geografischen Position befindet, sendet dabei in Echtzeit
Korrekturdaten aus. Diese Daten können dann von einem am GPS-Empfänger angeschlossenen Zusatzempfänger erfasst werden. Dieses Verfahren ist allerdings nicht mehr „up
to date“, soll aber trotzdem zur Vollständigkeit an dieser Stelle erwähnt werden.
Systeme mit erweiterter Leistungsfähigkeit, so genannte Augmentation Systems, bedienen
sich ebenfalls differentieller Korrekturdaten und beruhen somit auf dem Prinzip von DGPS.
Diese Systeme stützen sich jedoch nicht nur auf eine, sondern auf ein ganzes Netz von
Referenzstationen.
Nach [1] sind mit DGPS für den zivilen Nutzer Genauigkeiten von unter 3m erreichbar.
21
3.4
Systeme mit erweiterter Leistungsfähigkeit (Augmentation Systems)
Weltweit sind 3 satellitenbasierte Ergänzungssysteme (SBAS = Satellite Based Augmention
System) in Betrieb bzw. noch im Aufbau, die die Leistungsfähigkeit von GPS erhöhen.
WAAS deckt bereits jetzt den nordamerikanischen Raum ab, in Europa befindet sich EGNOS
im Testbetrieb und für den südostasiatischen Raum wird MSAS (Multi-Functional-Satellite
Augmentation System) aufgebaut. Eine Interoperabilität dieser 3 Systeme wurde bei der
Entwicklung berücksichtigt.
Augmentation Systems übertragen DGPS-Korrekturwerte (siehe Kapitel 3.3) und erhöhen
dadurch die Genauigkeit von GPS. Außerdem werden Informationen bezüglich der Integrität
der einzelnen GPS-Satelliten übertragen. Vereinfacht gesagt, handelt es sich bei diesem
System um ein satellitengestütztes DGPS. Dadurch benötigt man zum Empfang des Signals
keine zusätzlichen Langwellenempfänger. Auch werden zur Signalübertragung keine
Sendestationen gebraucht.
3.4.1 Wide Area Augmentation System (WAAS)
WAAS war das weltweit erste SBAS. Es wurde von der US-amerikanischen Luftfahrtadministration entwickelt und liefert DGPS-Korrekturdaten für den nordamerikanischen
Kontinent. Der Hintergrund für die Entwicklung von WAAS (und auch für die anderen
SBAS-Systeme) ist die Flugsicherung, da GPS als alleiniges Navigationsmittel nicht exakt
genug ist und zum anderen keine zuverlässige und rechtzeitige Benachrichtigung über Fehler
oder Ausfälle möglich ist. Die Zusatzsysteme sollen nun die Genauigkeit und Zuverlässigkeit
von GPS erhöhen. Um dies zu gewährleisten, wurden für WAAS 25 GPS-Empfangsstationen
(RIMS = Ranging and Integrity Monitor Stations) an zahlreichen Orten in den USA
aufgebaut. Zwei Referenzstationen, an den beiden Küsten der USA, sammeln die Daten und
berechnen
die
Korrekturwerte.
Diese
enthalten
Korrekturinformationen
für
die
Satellitenumlaufbahn, Uhrendrift der Satelliten und Signalverzögerungen, die durch die
Ionosphäre und die Atmosphäre verursacht werden. Die Signale mit den Korrekturdaten
werden dann über einen der beiden geostationären Satelliten an den Empfänger übermittelt.
Aus diesem Grund muss für die Nutzung von WAAS Sichtkontakt zu mindestens einem der
geostationären Satelliten vorhanden sein. Je nördlicher die Position des Empfängers ist, wird
dies jedoch umso schwieriger. WAAS ist seit Dezember 1999 nahezu durchgängig in Betrieb
22
und im Gegensatz zum normalen DGPS sind für den Empfang keine zusätzlichen Geräte
nötig. Es reicht ein normaler GPS-Receiver aus, dessen Software auf den Empfang von
WAAS vorbereitet ist.
3.4.2 European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)
Das „Gegenstück“ zum amerikanischen WAAS in Europa ist EGNOS, welches nach dem
gleichen Prinzip arbeitet. EGNOS erhöht die Genauigkeit von GPS, da die Satellitenkonstellation um die der EGNOS-Satelliten ergänzt wird. Außerdem wird der Nutzer über
Ortungsfehler sowie innerhalb von 6 s über den Ausfall eines Satellitensignals in Kenntnis
gesetzt. Erreicht wird dies mit drei geostationären Satelliten und einem Netz von
Bodenstationen. Die Satelliten haben keine Signalgeneratoren an Bord, sondern sind nur mit
Transpondern ausgestattet, die die am Boden verarbeiteten und ihnen zugesandten Signale
weiterleiten. Das komplexe und weit verzweigte Bodensegment wird im Endausbau 30 RIMS,
vier Missionskontrollzentren (MCC = Mission Control Centre) und sechs Aufwärtsverbindungsstationen umfassen.
Die bei EGNOS vorgesehene Redundanz sorgt dafür, dass die Verfügbarkeit des Dienstes
praktisch ständig gewährleistet ist. Das „Kommando“ wird immer nur eine der vier
Missionskontrollzentren haben, die anderen stehen für den Notfall bereit und können dann
sofort übernehmen. Gleiches gilt für die Aufwärtsverbindungsstationen, von denen für den
EGNOS-Betrieb nur jeweils eine für jeden Satelliten benötigt wird. Die anderen drei stehen
als Reserve für etwaige Ausfälle zur Verfügung [5].
Zurzeit befindet sich EGNOS immer noch im Testbetrieb (ESTB = EGNOS System Test
Bed). Der reguläre Betrieb sollte im 3. Quartal 2004 starten. Jedoch wurde der Start bis zum
heutigen Zeitpunkt immer wieder aufgeschoben.
23
ESTB and EGNOS satellites expected broadcasting plan
EGNOS/SIS-0 = 6 RIMS
EGNOS/SIS-1 = 15 RIMS
EGNOS/SIS-2 > 25 RIMS
AOR-E
PRN120
IOR
PRN131
EGNOS
SIS-2
ESTB
ESTB
ESTB
TBC ESTB or
EGNOS/SIS-2
ARTEMIS
PRN124
IOR-W
PRN126
ESTB TBC
EGNOS
SIS-1
EGNOS
SIS-1
EGNOS
SIS-2
Q4 2003
Q1 2004
Q2 2004
EGNOS
Signals and Data
Provision
Q3 2004
Bild 3.2: Sendeplan der ESTB/EGNOS-Satelliten (Quelle: [4])
Wie aus dem Bild 3.2 ersichtlich, sendete INMARSAT AOR-E (PRN 120) im 1. Quartal 2004
kein ESTB/EGNOS Signal und ARTEMIS (PRN 124) sendete noch nicht. Für diesen
Zeitraum stand also nur INMARSAT IOR (PRN 131) für den Empfang von EGNOSKorrekturdaten zur Verfügung. Allerdings steht dieser, anders als AOR-E, welcher sich hoch
über dem Horizont befindet, recht nahe am Horizont. Dadurch ist der Empfang relativ
schlecht und die Korrekturdaten lassen sich fast nur in erhöhter Position empfangen [4].
Anders als im Sendeplan aus Bild 3.2 ersichtlich, war ein vollständiger EGNOS-Betrieb auch
im 3. und 4. Quartal 2004 noch nicht möglich. Das System befindet sich noch immer im
Testbetrieb und ESTB-Signal wird nur von dem Satelliten INMARSAT IOR (PRN 131)
gesendet. Die Satelliten ARTEMIS, AOR-E und IOR-W sind zwar an das EGNOS-System
angeschlossen, werden aber zurzeit für Montage, Integration und verschiedene Tests des
Systems verwendet. Das gesendete Signal ist noch nicht stabil und kann nur von professionellen Empfängern verarbeitet werden (siehe Anhang B).
3.4.3 Funktionsweise von EGNOS/WAAS
Für den Betrieb von WAAS und EGNOS muss die Position der RIMS sehr genau bekannt
sein. Die RIMS empfangen das normale GPS-Signal sowie die Signale von GLONASS
24
(GLObal Navigation Satellite System) und später GALLILEO und können zunächst die
Differenz zwischen der durch GPS bestimmten und der tatsächlichen Position ermitteln. Da
die RIMS mit beiden GPS-Frequenzen arbeiten (L1 und L2), kann die Signalverzögerung
durch die Ionosphäre für jeden einzelnen Satelliten bestimmt werden. Weiterhin erhält man
beim Empfang von mehr als vier Satellitensignalen überzählige Informationen, aus denen
eventuelle Fehlfunktionen einzelner Satelliten abgeleitet werden können. Die Daten aller
RIMS werden nun an eine Hauptrechenstation weitergeleitet. Für den ESTB befinden sich
diese in Toulouse (Frankreich) und in Hönefoss (Norwegen). Ist die Testphase beendet und
EGNOS regulär in Betrieb, werden diese MCC in Langen bei Frankfurt (Deutschland),
Torrejon bei Madrid (Spanien), Ciampino bei Rom (Italien) und in Swanwick bei London
(Großbritannien) sein. In diesen Rechenzentren werden die Daten aller Stationen zusammengeführt und folgende Werte ermittelt:
-
Langzeitfehler der Satellitenposition
-
Kurz– und Langzeitfehler der Satellitenuhren
-
IONO Korrekturgitter
-
Integritätsinformationen
Ionosphäre
TEC Korrekturgitter
Bild 3.3: Zweidimensional vereinfachte Darstellung des IONO Korrekturgitters
Mit Hilfe der übertragenen Ionosphären-Karte, welche die einzelnen ermittelten Korrekturgitter (Bild 3.3) enthält, kann für jedes Signal eines GPS-Satelliten, das zur Positionsberechnung verwendet wird, der Durchtrittspunkt durch die Ionosphäre bestimmt werden.
Damit ist eine Berechnung der Signalverzögerung möglich. Da sich die Ionosphäre mit der
25
Sonnenaktivität verändert, ist eine Messung mit normalem Einfrequenz-GPS nach
Sonnenuntergang beispielsweise genauer als tagsüber. Die übrigen Funktionen zur Integritätsprüfung des GPS-Systems, welche die WAAS bieten, werden von Handheld-Empfängern
vermutlich nie ausgewertet, da die notwendigen Berechnungen zu komplex und die daraus
folgenden Ergebnisse für den Normalbenutzer nicht von besonderem Interesse sind [4].
3.4.4 Abdeckungsbereich der geostationären Satelliten
Der Bereich, in dem die einzelnen Systeme WAAS, EGNOS und MSAS verfügbar sind,
hängt zum einen davon ab, wo überall RIMS stehen und zum anderen davon, wo die Signale
der geostationären Satelliten empfangen werden können. Für die Ausstrahlung der
Korrektursignale werden zurzeit unter anderem auch einige INMARSAT-Satelliten
verwendet. Dies sind eigentlich Telefonsatelliten für Gespräche von und zu Schiffen und
befinden sich in einer geostationären Umlaufbahn mit einer Höhe von ca. 36000 km. In Bild
3.4 kann man einige der verwendeten Satelliten und deren „Footprint“, den Bereich, in dem
das Signal empfangen werden kann, sehen. Bis zum Endausbau von EGNOS soll es aber noch
einige Änderungen geben, speziell was die Abdeckung im europäischen Raum betrifft.
Bild 3.4: INMARSAT-Satelliten und deren Ausleuchtungsbereich (Quelle: [4])
26
Satellitenbezeichnung
Satellit steht über GPS PRN Nr. Garmin Sat ID
INMARSAT 3 F2 (AOR-E)
Westafrika
120
33
INMARSAT 4 F4 (AOR-W)
Ostküste
122
35
(Atlantic Ocean Region West)
Brasiliens
INMARSAT 3 F1 (IOR)
Indischer Ozean
131
44
Pazifik
134
47
Afrika (Kongo)
126
39
Artemis
Afrika (Kongo)
124
37
MTSAT-1R
Start Anfang 2003 129
42
Start Mitte 2004
50
(Atlantic Ocean Region East)
Indian Ocean Region)
INMARSAT 3 F3 (POR)
Pacific Ocean Region)
INMARSAT IOR-W (III-F5)
(Indian Ocean Region West)
(Multifunction Transportation Satellite)
MTSAT-2
137
Tabelle 3.4: Satelliten und deren Bezeichnung [4]:
Wenn man in Europa bei aktiviertem WAAS eine Korrektur mit anderen Satelliten als Nr. 120
oder Nr. 131 im Display findet, sollte man vorsichtig sein, speziell mit Nr. 122. Dieser kann
in manchen Gegenden empfangen werden. Er liefert aber nur Korrekturdaten für den
nordamerikanischen Raum und man hat keine Vorteile mit diesen. Die Verteilung und
Nutzung der Satelliten für EGNOS hat sich im Jahre 2004 nochmals ändern. Der Satellit
ARTEMIS ist hinzukommen, AOR-E sollte ausgemustert und IOR in Richtung Pazifik
verschoben werden. Genaue Angaben darüber, inwieweit dies schon geschehen ist, liegen
nicht vor. AOR-E wurde allerdings im November 2004 noch genutzt (siehe Anhang B).
Einen Nachteil haben die auf geostationären Satelliten basierenden Korrektursysteme
allerdings – die Satelliten befinden sich aus europäischer Sicht alle im Süden und relativ nahe
am Horizont. Dadurch kann es sehr leicht zur Abschattung durch Gebäude; Berge oder
Bäume kommen. Hier macht sich negativ bemerkbar, dass dieses System eigentlich für die
Luftfahrt gedacht ist.
27
3.4.5 Unterschied zu DGPS
Der Hauptunterschied in der Funktionsweise zwischen DGPS und WAAS liegt für normale
Nutzer in der Berechnung des Ionosphärenkorrekturgitters. Beim DGPS vergleicht jede
Referenzstation ihre Position mit der über GPS bestimmten. Diese Differenz wird dann mit
Hilfe von Korrekturdaten über eine bestimmte Langwellenfrequenz gesendet. Ein GPS-Gerät
empfängt diese Signale und wendet die Korrektur auf seine eigene Position an. Dadurch
verschlechtert sich aber die Genauigkeit der Korrektur, je weiter sich der Empfänger von der
Referenzstation entfernt, da die atmosphärischen Einflüsse sich ändern. Das Korrektursignal
gilt streng genommen nur für die Referenzstation. An der Position des Empfängers durchläuft
das Signal andere Schichten der Atmosphäre als das Signal vom Satelliten zur
Referenzstation. Weiterhin werden vom Benutzer teilweise Daten empfangen und ausgewertet, die von einem anderen Satelliten stammen als jene, welche die Referenzstation
verwendet. Die typische Reichweite von DGPS-Sendern liegt etwa bei 70-200 km. In diesem
Bereich kann die vorgenommene Korrektur noch als gut angesehen werden.
Beim WAAS hingegen wird ein Korrekturgitter berechnet, welches sich aus der Summe der
Messungen aller Referenzstationen zusammensetzt und so das gesamte Gebiet abdeckt.
Daraufhin korrigiert jeder einzelne Empfänger seine Position selbst. Dadurch steigt die
erreichbare Genauigkeit und das Gebiet, für welche die Korrekturdaten gelten, kann extrem
vergrößert werden. Daher auch die Bezeichnung „Wide Area“. Aber auch hier kann es
Probleme geben. Befindet man sich z.B. in Europa und empfängt die Korrekturdaten von
Nordamerika, so wird der GPS-Empfänger im besten Fall die Standardionosphärenkorrektur
anwenden, welche er eingespeichert hat. Dann wird man keinen Unterschied zwischen
aktiviertem und nicht aktiviertem WAAS bemerken. Im ungünstigsten Fall jedoch wird
überhaupt keine oder aber eben die falsche Ionosphärenkorrektur angewandt, was zu einer
Verschlechterung der Positionsangabe führen kann. Dies sollte jedoch bei einer korrekten
Softwareprogrammierung des GPS-Empfängers nicht auftreten, da das SBAS-System die
nötigen Informationen zur Vermeidung dieses Falles in den Signalen gleich mitliefert.
3.5
Der NMEA0183-Standard
Der Standard NMEA0183 wird von der US-amerikanischen National Marine Electronics
Association herausgegeben und definiert Anforderungen an die elektrischen Signale, das
28
Datenprotokoll und spezifische Satzformate für einen seriellen Datenbus mit einer
Übertragungsgeschwindigkeit von 4800 Baud. Schnelleren Verbindungen liegt der Standard
NMEA0183-HS zu Grunde. Zielanwendungsbereich dieses Standards ist die Datenkommunikation zwischen elektronischen Marineinstrumenten, Kommunikations- und
Navigationsgeräten und somit auch GPS-Empfängern. Viele der am Markt befindlichen GPSEmpfänger bieten neben der Kommunikation über das normierte NMEA0183-Protokoll auch
die Datenübermittlung über proprietäre Protokolle an.
Im Folgenden wird eine Auswahl der verwendeten NMEA-Datensätze und -felder näher
dargestellt. Dabei wird sich auf die Quellen [3] und [6] bezogen. Die hier aufgeführten Datensätze sind nicht alle, die der NMEA-Standards beinhaltet [10], sondern nur die, welche für die
Arbeit verwendet wurden. Die genutzten Datensätze beinhalten die wichtigsten Informationen
für die Positionsbestimmung. Für die Auswertung der Messergebnisse wurden Angaben aus
allen drei Protokollen berücksichtigt. Die Karte der Firma Holux gibt zusätzlich noch den
GSV-Datensatz aus. Auf diesen wird aber nicht näher eingegangen, da er keine relevanten
Informationen enthält und für die Auswertung nicht verwendet wurde.
Die
geographische
Länge
und
Breite
wird
im
Format
DDMM.MM
für
Grad(Degree)Minuten(M). Minutenbruchteile(M) ausgegeben. Für die Breitenangabe sind
jeweils zwei Stellen für Grad und Minute vorgesehen. Bei der Ausgabe der Längenwerte sind
drei Stellen für die Gradanzahl und zwei für die Minuten vorgesehen. Für Werte < 100 bzw. <
10 wird eine Null als Präfix gesetzt um die festgelegte Stellenanzahl beizubehalten. Die
Anzahl der Nachkommastellen ist nicht standardisiert. Die in dieser Arbeit verwendete
Hardware unterstützt jeweils 4 Nachkommastellen. Aus der unter Kapitel 2.2.7 angegebenen
Entfernung für eine Bogenminute ergibt sich eine minimale Entfernung für die Breite von
0,1852 m. Für die Länge ist keine allgemeine Angabe möglich. Der Abstand für einen
Minutenbruchteil berechnet sich hier wie folgt:
∆L[m] = cos( Breite) * 0,1852
(3.3)
Somit entspricht die Entfernung eines Minutenbruchteiles für die Länge nur am Äquator
genau 0,1852 m. Bei der Formel 3.3 muss die Angabe der Breite in Dezimalgrad erfolgen. In
der Regel ist also eine Umrechnung von der Angabe GradMinute.Minutenbruchteil in
Dezimalgrad erforderlich. Für die betrachteten Breiten ergibt sich dadurch der Unterschied
von einem Minutenbruchteil von ca. 0,117m.
29
3.5.1 GGA (Global Positioning System Fix Data)
Der GGA-Datensatz gibt Auskunft über Zeit, geographische Position, Qualität des Systems,
Anzahl der genutzten Satelliten und Alter der DGPS-Daten.
Allgemein: $GPGGA,hhmmss.ss,bbbb.bbbb,n,lllll.llll,e,f,gg,d.d,x.x,M,y.y,M,z.z,vvvv,*ch
Beispiel: $GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M, , , ,0000*18
Feld
Bedeutung
$GP
Index des Senders: hier GPS
GGA
Index des Datensatzes
hhmmss.ss
UTC-Zeit
bbbb.bbbb, n Breite, N/S
lllll.llll, e
Länge, W/O
f
GPS Qualitätsindikator:
0 = nicht verfügbar, 1 = GPS SPS Mode, 2 = DGPS SPS Mode
gg
Anzahl der genutzten Satelliten
d.d
Dilution of Precision (DOP)
x.x, M
Höhe über Meeresspiegel (Geoid), in Metern
y.y, M
Geoidal Separation, in Metern:
Differenz zw. WGS-84 Erdellipsoidoberfläche
und Meeresspiegel(Geoid)-
oberfläche, negatives Vorzeichen, falls Meersspiegel unter WGS-84
z.z
Alter der DGPS-Daten, Zeit in s seit letztem SC104 Typ 1 oder 9; 0 wenn kein
DGPS
vvvv
ID der Differentiellen Referenzstation, 0000-0123
*ch
Checksumme
Tabelle 3.5: GGA-Datensatz
30
3.5.2
GSA (Global Navigation Satellite System (GNSS) DOP and Active Satellites)
Der GSA Datensatz enthält Informationen über den Arbeitsmodus des Empfängers, über die
zur Navigation genutzten Satelliten und über die DOP-Werte.
Die Satelliten-ID-Nummern sind nach folgender Konvention vergeben:
-
1 bis 32 für GPS-Satelliten entsprechend ihrer PRN-Nummer
-
33 bis 64 für WAAS-System-Satelliten
-
65 bis 96 für GLONASS-Satelliten (64 + Satelliten-Slot-Nummer)
Allgemein: $GPGSA,A,x,yy,...yy,p.p,h.h.v.v,*ch
Beispiel: $GPGSA,A,3,07,02,26,27,09,04,15, , , , , ,1.8,1.0,1.5*33
Feld
Bedeutung
$GP
Index des Senders: hier GPS
GSA
Index des Datensatzes
A
Modus: M = Manuell gesetzt auf 2D oder 3D mode; A = Auto, automatisches
Umschalten zw. 2D und 3D möglich
x
Modus: 1 = Fix nicht verfügbar; 2 = 2D; 3 = 3D
yy
ID-Nummern der genutzten Satelliten
,,,,,
p.p
PDOP Verschlechterungsfaktor für 3D Positionsbestimmung
h.h
HDOP Verschlechterungsfaktor für Positionsbestimmung in Horizontalebene
v.v
VDOP Verschlechterungsfaktor für Positionsbestimmung in Vertikalebene
*ch
Checksumme
Tabelle 3.6: GSA-Datensatz
31
3.5.3
RMC (Recommended Minimum Specific GNSS Data)
Der RMC-Datensatz liefert die minimal empfohlene Information für ein GNSS.
Allgemein: $GPRMC,hhmm.ss,A,bbbb.bbbb,n,lllll.llll,e,v.v,k.k,ddmmyy,x.x,a,P,*ch
Beispiel: $GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598, , ,A*10
Feld
Bedeutung
$GP
Index des Senders: hier GPS
RMC
Index des Datensatzes
hhmmss.ss
UTC-Zeit
A
Status: A = Daten valide; V = Navigation Receiver Warnung
bbbb.bbbb, n Breite, N/S
lllll.llll, e
Länge, W/O
v.v
Geschwindigkeit über Grund in Knoten
k.k
Kurs über Grund in Grad
ddmmyy
Datum
x.x, a
Magnetische Varianz in Grad, W/O
P
Positionierung System Modus Indikator: A = autonom; D = Differentiell; E =
Dead Reckoning; M = Manuelle Eingabe; S = Simulator; D = Daten ungültig
*ch
Checksumme
Tabelle 3.7: RMC-Datensatz
32
4.
Messungen
Für die Messungen wurde die Region um Georgenthal ausgewählt. Der Grund dafür ist, dass
dort ein Referenzsystem für das Projekt „TAS“ aufgebaut werden soll. Bei dem Projekt
„TAS“ steht die Idee im Vordergrund, eine barrierefreie Führung von Personen durch
touristische Gebiete zu gewährleisten. Barrierefrei bedeutet hier, dass je nach Art und Stärke
einer Behinderung eine solche Führung angepasst auf den Touristen erfolgt. Außerdem
werden den zu führenden Personen Dienste und Informationen bereitgestellt, die auf den
aktuellen ihn umgebenden Kontext hin optimiert sind oder aus denen sie z.B. Zusatzdaten zu
Sehenswürdigkeiten entnehmen können. Die Genauigkeit eines solchen Systems richtet sich
u. a. nach dem Grad der Behinderung. So sind z.B. für stark sehbehinderte Personen andere
Genauigkeiten
bei
der
Positionsbestimmung
erforderlich
als
bei
ausschließlich
gehbehinderten. Die zu erwarteten Genauigkeiten gilt es zu untersuchen und auszuwerten. Die
Messungen erfolgten sowohl an ausgesuchten Messpunkten als auch an referenzierten
Vermessungspunkten.
4.1.
Auswahl der Messstrecken
Die gewonnenen Ergebnisse sollen nicht nur für die Region Georgenthal gelten, sondern es
soll, wenn möglich, eine allgemeingültige Aussage getroffen werden können. Deshalb
mussten Wegstrecken gefunden werden, die einerseits sowohl für das Projekt „TAS“ von
Bedeutung sind, andererseits aber auch eine möglichst große Bandbreite an unterschiedlichen
Wegbeschaffenheiten wie Baumbestand und topographischen Begebenheiten aufweisen, um
so nach Möglichkeit verschiedene Schwierigkeitsgrade für den Empfang von GPS
aufzuweisen und eine allgemeingültige Aussage treffen zu können. Es wurden drei Wege
gewählt, welche auch beim Projekt „TAS“ eine Rolle spielen. Der Unterschied liegt jedoch
darin, dass dort alle Strecken als Rundwege gewählt wurden und so die hier verwendeten
Wege 1 und 2 zu einer Route zusammengefasst sind. Die Wege können wie folgt beschrieben
werden:
•
Weg 1: Eiscafe - Wechmarer Hütte (über Straße)
Der Weg zur Wechmarer Hütte über die Versorgungsstraße soll, als eine Art
Referenzweg dienen. Da es sich bei diesem Weg außerdem um eine asphaltierte
33
Straße handelt, ist eine gewisse Barrierefreiheit gegeben, was für das Projekt
„TAS“ von nicht geringer Bedeutung ist.
•
Weg 2: Eiscafe – Wechmarer Hütte (über den Bärenweg)
Diese Route führt über den „Bärenweg“ zur Wechmarer Hütte. Es ist ein Wanderweg, welcher keinen allzu dichten Baumbewuchs aufweißt.
•
Weg 3: Eiscafe – Wechmarer Hütte (entlang des „Totenstein-Felsens“)
Dieser Weg ist nicht Bestandteil der Wege, welche für das Projekt „TAS“ gewählt
wurden.
Auf
Grund
seiner
Eigenschaften
in
Bezug
auf
den
Baumbestand/Baumbewuchs und den topographischen Begebenheiten wurde
dieser Wanderweg aber als zusätzliche Messstrecke herangezogen.
Die Messungen selbst fanden an ausgewählten Messpunkten, den so genannten Points of
Intrests (POI), statt. Bei diesen POI handelt es sich um Weggabelungen, Sehenswürdigkeiten,
Bänke oder andere Sitzgelegenheiten entlang der einzelnen Wege. Vereinzelt wurden auch
Vermessungspunkte des Landes Thüringen als Messpunkte gewählt, womit die Genauigkeit
der erzielten Messergebnisse verglichen werden können. Besonders oft wurden Bänke als POI
gewählt, da diese einen festen und somit unveränderlichen Standort aufweisen, im Gegensatz
zu beispielsweise einem Messpunkt an einer Weggabelung. Dadurch wird gewährleistet, dass
man diese für eventuell weiterführenden Untersuchungen verwenden kann. Ein Vergleich der
gewonnen Ergebnisse mit weiteren Messungen zur Positionsbestimmung für das Projekt
„TAS“ sollte somit möglich sein. Neben den Messungen an den POI wurden zusätzlich noch
zwei Messungen entlang des Weges 3 gemacht, bei denen eine kurze Strecke während der
Aufnahme der Messwerte abgelaufen wurde. Diese Messungen wurden aber nicht bei den
Genauigkeitsuntersuchungen in Betracht gezogen. Sie dienten vielmehr dem Test der
Funktionsweise der Kompassfunktion der verwendeten Software. Außerdem wurde geprüft,
wie gut die Abbildung der Wegstrecke dem tatsächlichen Wegverlauf entspricht. Genauere
Angaben zu den einzelnen Messpunkten kann man dem Anhang D entnehmen. Eine genaue
Beschreibung der Wegstrecken kann man in [7] nachlesen.
34
4.2
Verwendete Hard – und Software
Die Messungen erfolgten mit einem Laptop „ASUS L8400“. Mit diesem erfolgte die
Aufzeichnung der einzelnen Messreihen. Für die Untersuchung der jeweiligen Genauigkeiten
der unterschiedlichen Systeme wurden verschieden GPS-Karten verwendet. Für die Messung
der Positionen mit herkömmlichen GPS wurde neben dem eigentlichen GPS-Empfänger eine
Bluetooth-Karte genutzt, da dieser Receiver über eine Bluetooth-Schnittstelle mit dem Rechner verbunden werden muss. Dabei handelte es sich um eine Anycom Bluetooth-CF-Card.
4.2.1
Falcom GPS-Receiver
Für den Empfang der GPS-Daten wurde der Falcom NAVI-1 GPS-Receiver verwendet.
Dieser besitzt einen Chipsatz der Firma SiRF Technology, welcher mit der XTrack-Software
ausgestattet ist. Er bietet eine höhere Empfindlichkeit (mindestens 10dB gegenüber
Chipsätzen ohne XTrack-Funktion) und kann somit auch schwächere Signale empfangen.
Dieser Chipsatz wurde entwickelt, um auch bei schlechten Empfangsbedingungen, wie z.B. in
stark bewaldetem Gebiet, noch GPS-Signale empfangen zu können. Außerdem soll er, sobald
einmal Kontakt zu GPS-Satelliten besteht, auch bei sehr schlechten Empfangsverhältnissen
und sogar innerhalb von Gebäuden (zumindest z.B. in Fensternähe) den Empfang von GPS
unterstützen. Die Positionsdaten werden im Takt von 1 Sekunde aktualisiert. Eine Verlangsamung des Auffrischungstaktes ist über die Software SiRFDemo (siehe Kapitel 4.2.3)
möglich. Der Empfänger unterstützt u. a. die Datensätze GGA, GSA und RMC des NMEAProtokolls und kann das SiRF-Binary-Protokoll der Firma SiRF ausgeben.
4.2.2
Holux GPS-Receiver
Für die Messungen mit EGNOS wurde die GPS-Receiverkarte GM-270 der Firma Holux
verwendet. Diese Karte besitzt einen eingebauten EGNOS-Demodulator, welcher den
Empfang und die Verarbeitung von Korrekturdaten ermöglicht. Er arbeitet mit einem STAR II
/ LP Chipsatz. Die vorhandenen 12 Kanäle können zum gleichzeitigen Verfolgen von 12
GPS-Satelliten bzw. von 11 GPS-Satelliten und einem EGNOS/WAAS-Satelliten eingesetzt
werden. Auch bei dieser Karte werden die Daten jede Sekunde aktualisiert. Neben dem GGA,
35
GSA, RMC und GSV-Datensatz des NMEA-Protokolls unterstützt diese Karte auch das
SiRF-Binary-Protokoll der Firma SiRF und dessen Ausgabe. Die Einstellungen für den
NMEA-Modus sind über die Software SiRFDemo möglich. Mit dieser kann ein
Verlangsamen des Auffrischungstaktes und eine veränderte Ausgabe der einzelnen NMEADatensätze
eingestellt
werden.
Allerdings
traten
beim
Wechsel
zwischen
den
Ausgabeprotokollen teilweise Probleme auf. Oft funktionierte dieser Wechsel nicht beim
ersten Mal und musste des Öfteren wiederholt werden, bis in die jeweils andere Betriebsart
gewechselt werden konnte. Außerdem wurde beobachtet, dass sich die Karte, wenn sie
längere Zeit nicht benutzt wird, selbständig wieder auf ihre Default-Werte zurückstellt.
4.2.3
Software
Für die beiden Messreihen wurde die Software VisualGPSXP zum Aufzeichnen der Daten
verwendet. Diese bietet den Vorteil, dass hier ein Aufzeichnen des NMEA-Datensatzes ohne
Probleme möglich ist. Das Programm ist als Freeware über die Homepage des Herstellers
[S1] zu beziehen. Die Software zählt u. a. die Anzahl der Samples für die Längen- und
Breitenwerte, wenn mehr als drei GPS-Satellitensignale zur Positionsbestimmung empfangen
werden. Ist dies nicht der Fall, erfolgt zwar eine Positionsangabe, diese Samples werden
jedoch nicht mit gezählt. Durch das Nichtberücksichtigen dieser Messwerte ist gegebenenfalls
eine genaue Aufnahme von einer bestimmten Anzahl von Messwerten nur sehr schwer
möglich. Die Ausgabe der so ermittelten Anzahl für die Längen- und Breitenwerte erfolgt im
„Survey-Fenster“ der Software.
Die Software SiRFDemo in der Version 3.4 wurde zum Einstellen der Karten verwendet. Mit
ihr ist es möglich, zwischen den Ausgabeprotokollen SiRF-Binary und NMEA zu wechseln.
Außerdem kann mit dieser der Auffrischungstakt der GPS-Daten, die Ausgabedatensätze des
NMEA-Protokolls und die Verwendung von EGNOS/WAAS bzw. DGPS für den Holux
GPS-Empfänger eingestellt werden. Die Software ist als Freeware über die Homepage der
Firma Falcom zu beziehen [S2].
36
4.3
Verfügbarkeitsuntersuchungen
Um die Verfügbarkeit von GPS und somit den Empfang von GPS-Signalen in dem zu
untersuchenden Gebiet zu prüfen, wurde der Falcom-GPS-Receiver verwendet. Über dessen
eingebaute LED wird der Empfang von GPS-Signalen (Verbindung zum Satelliten vorhanden) angezeigt. Aus dem Datenblatt dieser Karte ist zu entnehmen, dass diese LED blinkt,
wenn keine Verbindung zu GPS-Satelliten besteht [8]. Bei dauerhaftem Leuchten ist eine
solche Verbindung gegeben. Laut Angaben des Herstellers wird zur Überprüfung einer GPSVerbindung der empfangene RMC-Datensatz verwendet (siehe 3.5.3). Dieser Datensatz
beinhaltet u. a. eine Kennung, ob die gesendeten Daten für eine Positionsbestimmung
verwendet werden können. Wenn dies der Fall ist, enthält der RMC-Datensatz ein „A“. Ein
Setzen dieses Flags setzt eine Verbindung zu drei Satelliten im 2D-Modus bzw. zu vier
Satelliten im 3D-Modus voraus.
Bei den Untersuchungen zur Verfügbarkeit und zum Empfang von GPS mit Hilfe des FalcomGerätes wurde dieses mit einem Schlüsselband vor dem Körper getragen. Dadurch war
gewährleistet, dass der Empfänger nicht durch Kleidung oder ähnliches verdeckt wurde, was
vielleicht zu einer Beeinträchtigung des Empfangs hätte führen können. Es war zu beobachten, dass das Gerät bei allen zu untersuchenden Wegstrecken ständig eine Verbindung
zum Satelliten anzeigte. Selbst unter Laubbäumen mit einem dichten Blattwerk und abseits
der untersuchten Wege, in teilweise dicht bewachsenem Waldgebiet, war keine
Unterbrechung des Empfangs der GPS-Signale festzustellen. Da der Empfänger je nach der
Anzahl der verfügbaren Satelliten automatisch zwischen dem 2D und dem 3D Modus
wechselt, bestand somit immer eine Verbindung zu mindestens 3 Satelliten. Dies wurde auch
bei den Messungen an den POI bestätigt. Die Verfügbarkeit von GPS ist somit in dem zu
untersuchendem Gebiet und mit dem Falcom GPS-Empfänger durchgehend gewährleistet.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass auch eine Verbindung zu GPS-Satelliten bestand, wenn
der Empfänger leicht von der Kleidung verdeckt wurde oder er sich z.B. in der Jackentasche
befand. Dies ist vor allem für den praktischen Einsatz von Bedeutung, da so ein
möglicherweise umständliches Tragen des Empfängers vermieden werden kann.
37
4.4
Genauigkeitsmessungen
Um eine Aussage zur Genauigkeit von GPS bzw. von GPS mit EGNOS treffen zu können,
wurden Messungen an den ausgesuchten Messpunkten durchgeführt. Die Messungen wurden
für jeden Messpunkt (siehe Anhang D) aufgenommen und ausgewertet. Es wurden sowohl für
herkömmliches GPS als auch für GPS mit EGNOS Untersuchungen durchgeführt. DGPS
wurde nicht weiter untersucht, da der Empfang der DGPS-Daten über LW eingestellt wird
(siehe Kapitel 3.3).
4.4.1
Genauigkeitsmessungen mit der GPS-Karte „Falcom NAVI-1“
4.4.1.1 Messungen an den POI
Bei den Untersuchungen zur Genauigkeit von GPS entlang der zu untersuchenden Wege
wurden an den einzelnen POI Kurzzeitmessungen durchgeführt. Gemessen wurde dabei nach
einer Initialisierungsphase von 1 Minute im NMEA-Modus der verwendeten Karte Falcom
NAVI-1. Die Messungen wurden mindestens 60 Samples aufgezeichnet, was einem Zeitraum
von 1 Minute entspricht. Wenn möglich wurden jedoch 90-100 Samples pro Messpunkt
aufgezeichnet und ausgewertet, um so mehr Messwerte für die Auswertung zu haben. Die
Anzahl der Messwerte während den Messungen wurde Anhand des Wertes für die Längenund Breitengrade im „Survey-Fenster“ der Software VisualGPSXP ermittelt (siehe dazu
Kapitel 4.2.3). Festgehalten wurden die Datensätze GGA, GSA und RMC des NMEAProtokolls. Zur Auswertung dieser wurde Microsoft Excel herangezogen.
Für die meisten Messpunkte liegen keine Festpunktkoordinaten vor, mit denen man einen
Genauigkeitsvergleich vornehmen könnte. Deshalb wurde bei der Auswertung über die
einzelnen Messreihen die Standardabweichung, d.h. die gemittelte Abweichung vom
Mittelwert, berechnet und ein mittlerer Fehler bestimmt, in dessen Größenordnung sich der
Großteil der einzelnen Positionsangaben um den Mittelwert herum befinden. Die Standardabweichung s ergibt sich aus:
s=
n
1
⋅ ∑ ( xi − x ) 2 .
n − 1 i =1
(4.1)
38
Dabei ist n die Anzahl der Messwerte und x der Mittelwert der Messreihe. Die Berechnung
des mittleren Fehlers erfolgt nach:
mittl.FehlerBreite [m] = s ⋅ 0,1852 m
(4.2)
mittl.FehlerLänge [m] = s ⋅ cos( Breite) ⋅ 0,1852 m
(4.3)
≅ s ⋅ 0,117 m
(4.4)
Die Standardabweichungen der Messungen liegen für die Länge zwischen 000.00.0000
(D.M.M) und 000.00.0055 (D.M.M). Das entspricht einem mittleren Fehler von 0 m bis 6,44
m. Für die geographische Breite wurden Werte von 00.00.0000 (D.M.M) bis 00.00.0028
(D.M.M) ermittelt, was einem mittleren Fehler von 0 m bis 5,19 m entspricht. Allerdings ist
dies nicht die absolute Genauigkeit. Die gemessenen Werte könnten sich auch stark,
theoretisch bis zu 10m, von den tatsächlichen Positionen unterscheiden, denn die Genauigkeit
des Falcom GPS-Receivers wird vom Hersteller mit 10 m angegeben. Inwieweit sich die
gemessenen mit den tatsächlichen Positionen decken bzw. wie genau die Messwerte sind,
kann für die meisten Messpunkte nicht bestimmt werden, da referenzierte Daten nicht
vorliegen. Aus Tabelle 4.1 sind für die untersuchten Wege die einzelnen minimalen und
maximalen Fehler für die Länge und die Breite zu erkennen.
min. Fehler Breite
min. Fehler Länge
max. Fehler Breite
max. Fehler Länge
Weg 1 -Referenzweg
0,37
0,00
5,19
6,44
Weg 2 - Bärenweg
0,00
0,00
4,63
6,20
Weg 3 - Totenstein
0,00
0,00
3,33
2,34
Tabelle 4.1: minimale und maximal Fehler für Länge und Breite der Falcom GPS-Karte
Des Weiteren wurde eine Einteilung der erzielten Genauigkeiten in sehr gut, gut und schlecht
vorgenommen. Wenn die berechnete Standardabweichung und somit die Abweichung vom
Mittelwert für die Breite oder die Länge die festgelegten Fehlerwerte überschritt, wurde der
Messpunkt in die jeweilig schlechtere Kategorie eingestuft. Die Anzahl der Messpunkte,
welche in den jeweiligen Grenzen liegen, ist aus der Tabelle 4.2 ersichtlich ersichtlich.
39
Sehr Gut (<1m)
Gut (1..4m)
Schlecht (> 4m)
Weg 1 -Referenzweg
1 (10 %)
5 (50 %)
4 (40 %)
Weg 2 - Bärenweg
2 (33,33 %)
0
4 (66,66 %)
Weg 3 - Totenstein
4 (44,44 %)
5 (55,55 %)
0
Tabelle 4.2: Einstufung der Messpunkte
Es ist zu erkennen, dass bei der Wegstrecke 1, welche als Referenzweg vorgesehen war,
schlechtere Ergebnisse im Bezug auf die Genauigkeit auftraten als z. B. beim Weg über den
Totenstein, welcher vorab als der mit den schwierigsten Empfangsbedingungen eingestuft
wurde. Ein möglicher Grund für die schlechten Messwerte beim Weg 1 könnte sein Verlauf
sein. Er verläuft zwischen zwei, mehr oder weniger steil aufsteigenden Erhebungen, wodurch
sich der Weg wie in einem Tal befindet. Die Sicht nach oben und somit der Empfang von
hoch über dem Horizont befindlichen Satelliten ist zwar gegeben, die Kommunikation mit
flach stehenden Satelliten kann dadurch allerdings beeinträchtigt sein. Unter Umständen führt
dies zu ungünstigen Satellitenkonstellationen als eine Ursache für die schlechten Ergebnisse.
Außerdem kann es dadurch zu Beugungseffekten kommen, welche sich ebenfalls negativ auf
die erzielten Ergebnisse auswirken könnten. Anders hingegen verhält es sich beim Weg 3
über den Totenstein. Hier verläuft die Strecke zumeist auf dem Rücken der Erhebungen.
Dadurch können auch flach über dem Horizont stehende Satelliten empfangen werden und es
entsteht gar kein oder nur ein kleinerer Abschattungsbereich.
Der teilweise dichte Baumbestand scheint den Empfang von GPS-Daten nicht so stark zu
behindern wie anfangs angenommen. Größere Ungenauigkeiten und stärkere Schwankungen
bei den einzelnen Messwerten wurden allerdings dann festgestellt, wenn starker Wind aufkam
und sich der Messpunkt unter oder in direkter Umgebung eines Baumes befand. Ein Grund
dafür sind auftretende Interferenzen und Multipath-Effekte, welche durch die schwankenden
Bäume und deren Äste entstehen und somit die Messung beeinträchtigen. Die größten
Abweichungen vom Mittelwert wurden bei den Messpunkten entlang dem Weg 2 festgestellt,
obwohl diese Route, ähnlich wie die beim Weg 3, auf dem Rücken einer Erhebung verläuft
und der Baumbestand hier nicht sehr dicht ist. Ein Grund dafür ist sicherlich die Tatsache,
dass die Ergebnisse keine Aussage für den gesamten Streckenabschnitt liefern, sondern nur
für die Messpunkte gelten. Bei einer ungünstigen Lage dieser, wie z.B. beim Messpunkt 2
welcher sich direkt neben einem Laubbaum befindet, kann es so sehr leicht zu schlechten
Ergebnissen kommen. Im mittleren Abschnitt, wo die Strecke durch eine Schonung mit zwar
40
dichtem, dafür aber recht niedrigem Bewuchs führt (Messpunkte 4 und 5), wurden dagegen
sehr gute Werte erreicht.
4.4.1.2 Messungen an referenzierten Messpunkten
Um eine Aussage zur absoluten Genauigkeit der verwendeten GPS-Karte treffen zu können,
wurden zusätzlich zu den Messungen an den POI weitere an referenzierten Vermessungspunkten (VP) vorgenommen. Im Bereich der Wechmarer Hütte befinden sich sechs dieser
Vermessungspunkte (siehe Anhang E). Sie bestehen aus jeweils zwei Koordinatenfestpunkten
(KFP) mit zugehörigen Sicherungspunkten (SI). Die SI dienen der Kontrolle und ggf. der
Wiederherstellung des eigentlichen KFP. Des Weiteren können diese als Ausweichvariante
oder Ersatz für den KFP verwendet werden, wenn die Bedingungen dort günstiger sind oder
der KFP nicht (mehr) zur Verfügung steht. Die Koordinate der zwei SI wird vom jeweiligen
KFP aus bestimmt. Dabei stimmt die Genauigkeit mit der des KFP überein und alle Punkte
sind gleichwertig vermarkt. Die SI 102 und 103 entsprechen den Messpunkten 9 und 8
entlang des Weges 3. Die einzelnen Punkte sind in der Regel durch eine Rohrkappe
gekennzeichnet. Bei dem SI 104 und dem KFP 100 war dies nicht der Fall bzw. es konnte
keine Kennzeichnung gefunden werden. Hier wurden die Punkte anhand der KFPBeschreibung (siehe Anhang E) ermittelt. Die Daten zu diesen Festpunkten wurden vom
Katasteramt Gotha zur Verfügung gestellt. Dort liegen die Koordinaten als Gauß-KrügerKoordinaten (3-Grad Meridianstreifenssystem) vor und beziehen sich auf das Potsdam Datum
(PD83), welches das amtliche Bezugsdatum in Thüringen darstellt. Um eine Aussage über die
absolute Genauigkeit der gemessenen Daten machen zu können, müssen Kontrollpunkte und
Messwerte auf den gleichen Ellipsoid und das gleiche geodätische Datum bezogen werden.
Daher wurden die Koordinaten der 6 Festpunkte durch eine Koordinatentransformation in das
WGS84-Referenzsystem überführt. Dies erfolgte mit der Software der Firma Transdat,
welche als Freeware erhältlich ist [S3].
Bei den Messungen, welche nach einer Initialisierungsphase von 1 Minute über genau 90
Sekunden erfolgte, befand sich der GPS-Empfänger exakt auf dem KFP. Der Zeitraum von 90
Sekunden wurde gewählt, da dies 90 Messwerten entspricht und auch bei den Kurzzeitmessungen an den POI versucht wurde 90 Messwerte aufzuzeichnen.
Nach der Messung erfolgte die Auswertung der Daten. Im Anhang A sind die einzelnen
gemessenen Positionen, der errechnete Mittelwert und die Position des KFP dargestellt.
41
Neben dieser Auswertung der Messergebnisse wurde zusätzlich jeder Messwert mit den zum
jeweiligen VP gehörigen Koordinaten verglichen. Dadurch konnte die Entfernung jedes
Messwertes zum Wert des VP bestimmt werden. Die Anzahl der Messwerte im jeweiligen
Abstand zum VP ist aus der folgenden Tabelle 4.3 ersichtlich. Zusätzlich wurde noch die
Gesamtanzahl aller Messwerte im jeweiligen Abstand angegeben.
KFP
100
KFP
101
KFP
102
KFP
103
KFP
104
KFP
105
Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Gesamt
Anzahl
Abstand [m]
0-0,18
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-12
12-14
14-16
> 16
91
5
11
41
25
9
91
13
30
15
22
11
90
5
12
23
14
12
4
4
14
2
90
6
6
8
21
14
17
11
7
90
2
6
20
3
10
2
4
4
5
4
6
7
3
14
90
4
8
3
12
8
10
11
27
2
5
90
5
10
29
25
19
2
90
2
14
13
18
11
9
5
14
4
91
4
8
12
15
21
15
9
6
1
91
2
8
16
24
27
6
7
1
90
0
3
6
4
10
10
9
6
7
15
11
9
90
1084
1
3
5
17
9
19
12
3
2
1
1
5
6
2
4
Tabelle 4.3: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Im folgenden Bild 4.1 sind, für die Gesamtanzahl der Messwerte an den sechs KFP, die
Anzahl der Messwerte für die jeweiligen Abstände zum KFP dargestellt. Für die Werte mit
einem Abstand zum KFP von größer als 16m wurde keine weitere Einteilung mehr
vorgenommen. Diese sind unter dem x-Wert 20 dargestellt.
42
49
119
191
200
161
94
72
82
23
25
18
21
9
16
4
Anzahl N
500
400
300
Messwerte (N)
200
100
20
16
14
12
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0,
18
52
0
Abstand vom KFP [m]
Bild 4.1: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Mit Hilfe dieser Untersuchung wurde weiterhin bestimmt, wie groß die Anzahl der Messwerte
ist (in Prozent und Absolut), die sich in einem Umkreis von kleiner als 2 m, 4 m bzw. 8 m um
den KFP befinden. Dies ist in Tabelle 4.4 zu sehen.
Anzahl Messwerte < 2 m:
Messwerte < 2 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 4 m:
Messwerte < 4 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 8 m:
Messwerte < 8 m (in Prozent):
Gesamt
359
33,11 %
720
66,42 %
992
91,51 %
Breite
202
37,26 %
369
68,08 %
473
87,26 %
Länge
157
28,96 %
351
64,76 %
519
95,75 %
Tabelle 4.4: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2 m, 4 m, 8 m
Auch der absolute Abstand des Mittelwertes der aufgenommenen Messreihen zum Wert des
KFP wurde berechnet. Da für kleine Entfernungen zwischen zwei Punkten die Erde als eben
anzusehen ist, kann man für die Berechnung des Abstandes dieser die Grundbeziehungen der
ebenen Trigonometrie benutzen. Dadurch ergibt sich die Strecke „S“ Mittelwert – KFP wie
folgt:
S [m] = (∆MWBreite [m]) 2 + (∆MWLänge [m]) 2 .
(4.5)
43
Dabei entspricht der Wert ∆MWBreite dem Abstand des Mittelwertes zum KFP für die Breite
und der Wert ∆MWLänge dem Abstand des Mittelwertes zum KFP für die Länge. In der
folgenden Tabelle 4.5 sind für die einzelnen KFP die jeweiligen Abstände ersichtlich.
S [m]
KFP 100
1,75
KFP 101
3,39
KFP 102
6,39
KFP 103
2,97
KFP 104
4,22
KFP 105
8,58
Tabelle 4.5: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP ( Messzeit 90 sek)
Um die Ergebnisse dieser Kurzzeitmessung zu bestätigen, wurden zusätzlich an jedem VP
eine „Langzeitmessung“ über 12 Minuten durchgeführt. Die Daten wurden anschließend
mittels Microsoft Excel ausgewertet. Die einzelnen Positionswerte sind im Anhang A
dargestellt. Die aufgenommenen Positionsdaten wurden anschließend mit dem Positionswert
der jeweiligen KFP verglichen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgen Tabelle 4.6 ersichtlich.
KFP
100
KFP
101
KFP
102
KFP
103
KFP
104
KFP
105
Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Gesamt
Anzahl
Abstand [m]
0-0,18
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-12
12-14
14-16
> 16
720
42
105
153
82
88
69
51
32
17
12
7
46
720
81
244
268
111
14
2
721
9
27
27
40
88
56
54
83
62
54
31
71
721
720
75
210
196
163
47
16
9
1
1
1
2
14
47
81
77
70
63
64
49
34
45
39
72
3
14
720
63
140
183
137
78
61
30
26
2
721
721
9
23
42
44
55
26
38
55
26
37
38
83
31
82
86
105
77
74
46
41
32
42
30
31
721
23
75
136
128
103
73
48
33
20
36
8
27
721
19
38
59
120
166
143
73
55
24
14
4
5
722
22
43
111
78
75
36
35
39
43
49
50
59
722
8650
33
106
116
115
82
74
66
54
20
16
11
6
6
2
4
Tabelle 4.6: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Für die Gesamtanzahl der Messwerte an den einzelnen KFP sind im Bild 4.2 die Anzahl der
Messwerte in den jeweiligen Abständen zum KFP ersichtlich.
44
421
1140
1458
1200
943
693
514
468
281
306
218
402
9
16
4
Anzahl N
20
16
14
12
10
9
8
7
6
5
4
3
2
Messwerte N
1
0,
18
52
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Abstand zum KFP [m]
Bild 4.2: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Auch für die Messungen über einen Zeitraum von 12 Minuten wurden sowohl die Anzahl der
Messwerte (in Prozent und Absolut), welche sich in einem Umkreis von kleiner als 2 m, 4 m
bzw. 8 m um den KFP befinden, als auch der absolute Abstand des Mittelwertes der einzelnen
Messreihen zum jeweiligem Positionswert des KFP bestimmt. Die Ergebnisse sind in den
nachfolgenden Tabellen 4.7 bzw. 4.8 dargestellt.
Anzahl Messwerte < 2 m:
Messwerte < 2 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 4 m:
Messwerte < 4 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 8 m:
Messwerte < 8 m (in Prozent):
Gesamt
3019
34,90 %
5162
59,68 %
7118
82,29 %
Breite
989
22,86 %
1917
44,32 %
3023
69,90 %
Länge
2030
46,94 %
3245
75,03 %
4095
94,68 %
Tabelle 4.7: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2 m, 4 m, 8 m
S [m]
KFP 100
0,40
KFP 101
3,15
KFP 102
5,22
KFP 103
9,13
KFP 104
3,90
KFP 105
5,70
Tabelle 4.8: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP ( Messzeit 12 min)
45
4.4.2
Genauigkeitsuntersuchungen mit der GPS-Karte „Holux GM-270“
4.4.2.1 Messungen an den POI
Unter Verwendung der Holux GM-270 GPS-Karte sollte die Genauigkeit von GPS in
Verbindung mit EGNOS untersucht werden. Dazu wurden auch hier an den POI Messungen
über mindestens 1 Minute durchgeführt. Wie bei den Messungen mit der GPS-Karte von
Falcom wurde ebenfalls eine Initialisierungsphase abgewartet. Allerdings dauerte es teilweise
länger als eine Minute bis eine Verbindung zu GPS-Satelliten bestand und gültige Daten
empfangen wurden. Als Grund für diesen langen Verbindungsaufbau wird die
Empfindlichkeit des verwendeten Chipsatzes angesehen. Dieser scheint bei weitem nicht so
gute Ergebnisse zu liefern wie der Chipsatz der Falcom NAVI-1 GPS-Karte, welcher speziell
für den Einsatz unter schlechten oder eingeschränkten Empfangsbedingungen entwickelt
wurde. Das spiegelt sich auch darin wieder, dass bei den einzelnen Messungen zu weit
weniger Satelliten eine Verbindung bestand. Teilweise wurden nur von einem oder sogar
überhaupt keinem Satelliten Daten empfangen oder es wurden kurzzeitig keine gültigen Daten
empfangen. Diese ungültigen Daten wurden für die Auswertung nicht berücksichtigt.
Die Auswertung der aufgezeichneten Daten erfolgte ebenfalls mit Microsoft Excel. Die
Standardabweichung der Längen liegen hier zwischen 000.00.0007 (D.M.M) und 000.00.0094
(D.M.M), was einem mittleren Fehler von 0,82 m bis 11 m entspricht. Für die Breite reichen
die gemittelten Abweichungen vom Mittelwert von 00.00.0009 (D.M.M) bis 00.00.0092
(D.M.M). Dies entspricht einem mittleren Fehler von 1,67m bis 17,04m. Allerdings ist
anhand dieser Messungen auch hier keine Angabe zur absoluten Genauigkeit möglich.
Trotzdem ist zu erkennen, dass die ermittelten Genauigkeiten nicht dem entsprechen, was mit
DGPS oder EGNOS möglich sein soll. Um die Verwendung von EGNOS zu überprüfen,
wurden zum einem der Qualitätsindikator des GGA-Datensatzes und zum anderen die IDNummern der genutzten Satelliten, welche im GSA-Datensatz enthalten sind, untersucht. Der
Qualitätsindikator bei den Messungen mit der Holux GPS-Karte wies bei keiner Messung den
Index für DGPS-Empfang auf. Bei allen Messreihen wird der Wert 1 ausgegeben, was dem
normalen GPS-Empfang entspricht. Um diese Erkenntnis sicher zu stellen, wurden auch noch
die ID-Nummern der genutzten Satelliten untersucht. Laut Angaben der Europäischen
Raumfahrtbehörde (ESA) werden die EGNOS-Korrekturdaten empfangen, sobald eine
Verbindung zu einem der drei EGNOS-Satelliten besteht und dessen ID-Nummer im
Datenprotokoll ersichtlich ist (Satellit ARTEMIS (PRN 124 o. NMEA-ID 37), Satellit AORE (PRN120 o. NMEA-ID 33) und Satellit IOR-W (PRN126 o. NMEA-ID 39)). Zurzeit der
46
Messungen war der Empfang von EGNOS nur mit professionellen Empfängern möglich, da
sich das System noch immer im Testbetrieb befand (siehe Anhang B). Während des
Testbetriebes wird ein Korrektursignal vom EGNOS System Test Bed (ESTB) gesendet,
welches der Satellit INMARSAT IOR (PRN 131 oder NMEA-ID 44) liefert. Bei den
Messungen bestand aber keine Verbindung zu diesem Satellit. Seine ID-Nummer ist in
keinem Datensatz enthalten. Auch die ID-Nummern der anderen EGNOS-Satelliten wurden
bei keiner Messung aufgenommen. Es bleibt demnach festzustellen, dass während der
gesamten Untersuchungen keine Korrektursignale empfangen wurden. Dies wird vor allem
auf die Tatsache zurückgeführt, dass nur das ESTB ein Korrektursignal über den Satellit
INMARSAT IOR sendet und dieser, auf Grund seines flachen Erhebungswinkels (30 ° über
dem südlichen Horizont für den Standort München), in Thüringen nur schwer zu empfangen
ist. Weiterhin wirken sich die schlechten Empfangsqualitäten des Holux-GPS-Receivers bei
schwierigen Empfangsbedingungen und schwachen Satellitensignalen negativ aus. Somit
kann hier keine Aussage über die Genauigkeit von GPS mit EGNOS getroffen werden. Dies
relativiert die ermittelten Fehler wieder, da auch die Holux GM-270 GPS-Karte im normalen
GPS SPS-Mode gearbeitet hat. Allerdings ist festzustellen, dass die berechneten
Abweichungen vom Mittelwert größer sind als jene, welche mit dem Falcom GPS-Receiver
bestimmt wurden. In der folgenden Tabelle 4.9 sind die einzelnen minimalen und maximalen
Fehler für die Länge und die Breite ersichtlich.
min. Fehler Breite
min. Fehler Länge
max. Fehler Breite
max. Fehler Länge
Weg 1 -Referenzweg
1,67
1,76
17,04
10,65
Weg 2 - Bärenweg
2,04
0,82
14,63
11,00
Weg 3 - Totenstein
1,85
2,11
12,22
7,14
Tabelle 4.9: minimale und maximal Fehler für Länge und Breite der Holux GPS-Karte
Des Weiteren erfolgte auch hier eine Einstufung der einzelnen Messpunkte. Dies ist in
Tabelle 4.10 zu erkennen.
Sehr Gut (<1m)
Gut (1..4m)
Schlecht (> 4m)
Weg 1 -Referenzweg
0
4 (40 %)
6 (60 %)
Weg 2 - Bärenweg
0
3 (50 %)
3 (50 %)
Weg 3 - Totenstein
0
2 (22,22 %)
7 (77,77 %)
Tabelle 4.10: Einstufung der Messpunkte
47
4.4.2.2 Messungen an referenzierten Messpunkten
Neben den Messungen an den POI wurden auch mit der Holux GPS-Karte an den sechs KFP
(siehe 4.4) zusätzliche Werte aufgenommen. Die Messungen erfolgten, nach einer
Initialisierungsphase von 1 Minute, über 90 Sekunden. Die Daten wurden im Anschluss mit
Microsoft Excel ausgewertet. Auch bei diesen Untersuchungen arbeitete die Karte im GPS
SPS-Mode und somit wurden keine EGNOS-Korrekturdaten empfangen. Zumindest wurde
bei keiner der sechs Messungen die ID-Nummer eines EGNOS-Satelliten aufgezeichnet und
auch der Qualitätsindikator des GGA-Datensatzes war nur auf normalen GPS-Betrieb gesetzt.
Somit kann auch bei diesen Untersuchungen keine Aussage über die Genauigkeit von GPS in
Verbindung mit EGNOS getroffen werden. Wie schon zuvor wurde bei dieser Messreihe
ebenfalls jeder Messwert mit dem dazugehörigem Positionswert des KFP verglichen. Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 4.11 dargestellt.
KFP
100
KFP
101
KFP
102
KFP
103
KFP
104
KFP
105
Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Gesamt
90
Anzahl
Abstand [m]
0-0,18
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-12
12-14
14-16
> 16
0
7
4
2
4
4
4
7
10
4
4
6
5
2
27
4
16
25
26
10
9
90
9
22
19
8
14
7
3
3
3
2
3
17
25
27
18
91
2
21
18
3
3
2
3
11
5
7
4
11
1
3
11
15
19
16
10
15
2
89
1
4
4
8
15
12
10
5
8
5
2
10
5
1
0
2
6
8
9
8
7
8
11
4
9
10
1
5
90
0
9
23
6
7
7
12
8
18
47
12
31
90
0
4
1
3
4
7
15
11
4
10
8
11
12
1080
0
0
17
13
20
15
6
7
10
2
Tabelle 4.11: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Im Bild 4.3 ist die Anzahl der Messwerte, welche sich in dem jeweiligen Abstand zum KFP
befinden, ersichtlich.
48
23
111
153
121
119
82
76
61
66
88
34
78
28
3
37
Anzahl N
500
400
300
Messwerte (N)
200
100
20
16
14
12
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0,19
0
Abstand vom KFP [m]
Bild 4.3: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Aus den gemessenen Werten wurde bestimmt, wie groß die Anzahl der Messwerte ist, die
sich in einem Abstand von 2 m, 4 m und 8 m um den KFP befinden. Dies ist aus der Tabelle
4.12 zu entnehmen.
Anzahl Messwerte < 2 m:
Messwerte < 2 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 4 m:
Messwerte < 4 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 8 m:
Messwerte < 8 m (in Prozent):
Gesamt
287
26,57 %
527
48,79 %
815
75,46 %
Breite
116
21,48 %
180
33,33 %
314
58,14 %
Länge
171
31,66 %
347
64,25 %
501
92,77 %
Tabelle 4.12: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2 m, 4 m, 8 m
Aus Tabelle 4.13 sind die absoluten Abstände der Mittelwerte der einzelnen Messreihen zum
jeweiligen KFP ersichtlich. Die Berechnung erfolgte wie unter Kapitel 4.4.1.2 beschrieben.
S [m]
KFP 100
11,11
KFP 101
2,41
KFP 102
5,35
KFP 103
65,83
KFP 104
10,47
KFP 105
8,63
Tabelle 4.13: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP (Messzeit 90 sek)
49
Zusätzlich wurde ebenfalls mit der Holux GPS-Karte eine Langzeitmessung über 12 Minuten
an den einzelnen VP durchgeführt. Auch hier arbeitete die Karte im GPS SPS-Mode. Es
bestand keine Verbindung zu dem EGNOS-Satelliten PRN 131. Somit wurden keine
Korrekturdaten empfangen und es kann keine Aussage über die Genauigkeit von GPS mit
EGNOS getroffen werden. Um eine genaue Aussage darüber treffen zu können, wie viele
Werte sich in einem bestimmten Abstand zum KFP befinden, wurden aufgezeichnete Positionsdaten der unterschiedlichen Messreihen mit dem dazugehörigem Wert des KFP
verglichen. Die Ergebnisse dazu sind in der Tabelle 4.14 ersichtlich.
KFP
100
KFP
101
KFP
102
KFP
103
KFP
104
KFP
105
Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Breite Länge Gesamt
Anzahl
Abstand [m]
0-0,18
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-12
12-14
14-16
> 16
649
39
90
105
74
69
39
51
24
7
12
9
20
13
13
84
649
46
107
91
78
75
61
34
31
6
14
12
27
22
17
28
720
4
5
5
28
35
57
24
31
45
166
216
60
44
720
52
144
148
116
107
81
45
27
518
23
35
75
101
106
44
46
44
2
2
2
18
10
10
518
15
50
41
43
38
23
13
16
8
9
10
13
6
4
229
720
21
60
74
52
61
72
93
37
23
53
29
46
40
24
35
720
32
112
106
90
94
96
51
53
49
30
3
4
722
16
37
59
32
44
44
107
104
45
56
35
64
42
22
15
722
18
28
72
48
107
109
89
84
52
51
32
25
7
720
20
39
54
30
42
24
45
61
32
37
41
83
82
24
106
720
8098
6
34
59
15
25
51
42
42
109
63
41
83
49
88
13
Tabelle 4.14: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Im folgenden Bild 4.4 sind, für die Gesamtanzahl der Messwerte, die Anzahl der Messwerte
im jeweiligen Abstand zum KFP dargestellt.
50
288
736
888
684
773
672
651
580
357
358
259
549
487
262
554
Anzahl N
20
16
14
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
Messwerte N
1
0,
18
52
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Abstand zum KFP [m]
Bild 4.4: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand zum KFP
Aus der folgenden Tabelle 4.15 sind, sowohl für die Messwerte der Breite und der Länge als
auch für die Gesamtanzahl der Messwerte, die Menge der Messwerte mit einem Abstand
kleiner als 2 m, 4 m und 8 m zum KFP zu entnehmen.
Anzahl Messwerte < 2 m:
Messwerte < 2 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 4 m:
Messwerte < 4 m (in Prozent):
Anzahl Messwerte < 8 m:
Messwerte < 8 m (in Prozent):
Gesamt
1912
23,61 %
3369
41,60 %
5629
69,51 %
Breite
751
18,54 %
1372
33,88 %
2460
60,75 %
Länge
1161
28,67 %
1997
49,32 %
3169
78,27 %
Tabelle 4.15: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2 m, 4 m, 8 m
Auch die Genauigkeit, also der absolute Abstand des ermittelten Mittelwertes zum Wert des
jeweiligen KFP, wurde bei den Messungen über einen Zeitraum von 12 Minuten bestimmt.
Die Ergebnisse dazu sind aus der Tabelle 4.16 ersichtlich.
S [m]
KFP 100
4,21
KFP 101
11,12
KFP 102
6,65
KFP 103
4,06
KFP 104
7,84
KFP 105
9,60
Tabelle 4.16: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP (Messzeit 12 min)
51
4.4.3
Messungen im „Exclusive-Mode“
Da bei den Messungen mit der Holux GPS-Karte keine Verbindung zu dem EGNOSSatelliten PRN 131 aufgebaut werden konnte, wurde die Karte für zusätzliche Messungen
mittels SiRFDemo in den „Exclusive-Mode“ geschaltet. Dies bedeutet, dass der GPSEmpfänger nur im DGPS-Mode arbeitet. Als DGPS-Quelle wurde des Weiteren „SBAS“
eingestellt und unter dem Menüpunkt „SBAS Control“ wurde direkt die PRN 131 für den
EGNOS-Satelliten eingestellt. Durch diese Einstellungen wird direkt nach dem Satelliten mit
der PRN 131 als Quelle zum Empfang der Korrekturdaten gesucht. Nur wenn eine
Verbindung mit diesem besteht und Korrekturwerte empfangen werden, erfolgt auch eine
Positionsangabe. Werden keine Korrekturdaten empfangen, so werden keine gültigen
Positionswerte ausgegeben. Bei dieser Art der Messung wurde die Karte im SiRF-BinaryMode betrieben. Es wurde beobachtet, dass bei Messungen an den sechs VP zu keiner Zeit
eine Verbindung zu dem Satelliten PRN 131 aufgebaut werden konnte. Um festzustellen,
inwieweit dies mit den topografischen Begebenheiten an den VP zusammenhängt, wurde
zusätzlich auch auf dem Campus der TU-Ilmenau und auf der Verbindungsstraße zwischen
Ohrdruf und Gräfenhain eine solche Messung durchgeführt. Dabei wurde speziell darauf
geachtet, dass eine freie Sicht gewährleistet ist und möglichst keine Erhebungen den Empfang
von eventuell sehr flach über dem Horizont befindlichen Satelliten behindern. Bei diesen
Messungen wurden nur einmal kurzzeitig Korrekturdaten über einen Zeitraum von ca. 10 sek.
empfangen. Dies war auch nur bei der Messung entlang der Verbindungsstraße der Fall. Bei
den Untersuchungen auf dem Campus der TU-Ilmenau wurden keine Korrekturdaten
empfangen. Zwar konnte hier kurzzeitig eine Verbindung zu dem EGNOS-Satelliten
aufgebaut werden, jedoch war das empfangene Signal zu schwach. Die Beobachtungen
bestätigen, dass eine sichere Verfügbarkeit von EGNOS zurzeit nicht möglich ist. Dies wird
durch die Tatsache verstärkt, dass das EGNOS-System noch immer im Testbetrieb läuft und
die Korrektursignale nur von dem Satelliten INMARSAT IOR gesendet werden (siehe
Anhang B),welcher relativ flach über dem Horizont steht. Sicherlich spielt auch die Empfangsleistung des Holux-Receivers eine Rolle (sieh Kapitel 4.4.2.1). Nach neuesten Angaben
auf der Homepage der ESA soll EGNOS im 1. Quartal 2005 seinen Betrieb aufnehmen und
spätestens 2006 auch für sicherheitskritische Anwendungen wie der Luftfahrt funktionsfähig
sein [9].
52
4.5
Auswertung der Ergebnisse
Die Auswertung erfolgt einmal für die Messung an den POI entlang der untersuchten Wege
und zum anderen für die Messungen an den VP. Des Weiteren wurden ebenfalls die
Verbindungssicherheit
und
der
Verbindungsaufbau
beider
Karten
bewertet.
Die
vorgenommen Messungen an den einzelnen POI und den referenzierten Punkten haben jedoch
eines verdeutlicht: eine generelle Aussage, wie genau GPS arbeitet, ist nicht ohne weiteres
möglich, da dies stark vom verwendetem Chipsatz und dessen implementierter Software
abhängig ist.
4.5.1
Auswertung der Messungen an den POI
Da bei den meisten Messungen keine referenzierten Positionswerte zum Vergleich vorlagen,
kann keine Aussage über die absolute Genauigkeit an den POI getroffen werden. Vielmehr
bieten die Messergebnisse eine Aussage über die Streuung der verwendeten Karten. Die
Streuung der einzelnen Messwerte ist bei der verwendeten Holux-Karte viel stärker
ausgeprägt als bei der Karte der Firma Falcom (siehe dazu Tabelle 4.1 und 4.9 sowie die
einzelnen Excelsheets auf der beigelegten CD). So liegt die maximale Abweichung vom
Mittelwert bei der Falcom GPS-Karte bei 6,44 m für die Länge und 5,19 m für die Breite. Bei
der Karte der Firma Holux betragen diese Abweichungen immerhin 11 m für die Länge und
17,04 m für die Breite. Dies sind deutliche Unterschiede von bis zu 12 m zwischen den beiden
Geräten. Im Rahmen von TAS bedeutet dies, dass man die Karte der Firma Falcom durchaus
für Anwendungen verwenden kann, bei denen eine Führung von Personen allein durch ein
GPS-Gerät nicht vorgesehen ist, sondern dieses vielmehr als Orientierungshilfe eingesetzt
wird. Durch die großen Streuungen bei dem Holux-GPS-Empfänger ist dieser nur bedingt für
eine solche Anwendung zu empfehlen.
4.5.2 Auswertung der Messungen an den KFP
Auch bei den Untersuchungen zur absoluten Genauigkeit an den Vermessungspunkten
wurden starke Unterschiede bei den verwendeten Karten festgestellt. Bei dem Falcom GPSReceiver befinden sich 33 % der Messwerte der Kurzzeitmessung in einem Umkreis von 2 m
53
um den KFP, 66 % in einem Umkreis von 4 m um den KFP und 92 % in einer Entfernung von
8m. Die Messungen über einen Zeitraum von 12 Minuten haben diese Werte nicht ganz
bestätigt. Hier waren zwar auch 33 % aller gemessenen Positionswerte in einem Abstand von
2 m, jedoch nur 60 % der Messwerte in einem Abstand von 4 m und 82 % in einem Abstand
von 8 m um den VP zu finden. Auch dies sind jedoch sehr gute Ergebnisse. Besonders positiv
ist die Tatsache, dass jeder dritte Wert in einem Bereich von 2 m oder besser um den KFP lag.
Der absolute Abstand zwischen VP und Mittelwert liegt bei den Kurzzeitmessungen in einem
Bereich von 1,75 m bis 8,58 m. Bei den Langzeitmessungen beträgt der minimale Abstand
0,40 m und er maximale 9,13 m. Vom Hersteller wird eine Genauigkeit von 10 m angegeben.
Diese wird somit bei allen Messungen erreicht und sogar unterboten. Zieht man alle
Messergebnisse in Betracht, so kann man sagen, dass mit dem Falcom NAVI-1 GPSEmpfänger eine durchschnittliche Genauigkeit von 7 bis 8 m zu erreichen ist. Auch die
Streuung der Positionswerte bewegt sich in diesem Bereich. Allerdings ist anzumerken, dass
eine solche Genauigkeit zwar den Erwartungen bei der Positionsbestimmung mit GPS
übertrifft, dies aber für eine sichere Führung von Personen, wie unter TAS vorgesehen, nicht
genügt. Besonders an sicherheitskritischen Wegstellen, wie etwa beim Überqueren einer
Brücke, ist diese Genauigkeit jedoch unzureichend, wenn auf Grund des Behinderungsgrades
eine sichere Führung durch GPS vorgenommen werden soll. Als Zusatzsystem zur
Orientierung bei nicht oder schwach sehbehinderten Personen ist der Einsatz des FalcomGPS-Empfängers aber sehr gut möglich.
Bei den Messungen mit dem Holux GM-270 GPS-Empfänger wurden die Genauigkeiten des
Gerätes von Falcom nicht erreicht. Hier liegen nur 75,46 % aller Messwerte bei der 90s-Messung in einem Bereich von 8 m um den KFP und sogar nur 48,79 % in einem Umkreis von 4
m oder besser. Bei den Langzeitmessungen befanden sich sogar nur 70 % der Messwerte in
einem Abstand von weniger als 8 m um den VP. Auch die Entfernung des Mittelwertes der
aufgenommenen Messreihen zum jeweiligen Wert des referenzierten Punktes ist schlechter
als bei den Messungen mit der Karte aus dem Hause Falcom. Die Abstände reichen hier von
2,41 m bis 65,83 m. Zwar wird die Genauigkeit der Karte ohne EGNOS vom Hersteller auch
nur mit 5-25 m angegeben (was die Karte auch erreicht, sieht man von den 65m bei den
Messungen über 90 s am KFP 103 ab), nach den guten Ergebnissen mit der Karte der Firma
Falcom ist dieses Ergebnis jedoch nicht zufrieden stellend. Eine Untersuchung zur
Genauigkeit von GPS mit EGNOS konnte nicht vorgenommen werden, da keine Korrektursignale empfangen wurden. Inwieweit somit die Genauigkeit von 2,2 m für die Breite und 5 m
für die Länge, wie vom Hersteller angegeben, erreicht wird, kann nicht gesagt werden. Die
54
mit dieser Karte ohne EGNOS-Funktion festgestellte Genauigkeit ist jedoch für eine
Verwendung für das Projekt TAS völlig ungenügend. Sollten, in weiterführenden Untersuchungen, die angegebenen Werte für den Holux-Empfänger im EGNOS-Betrieb von 2,2 m
und 5 m erreicht werden, so wäre dies für Anwendungen bei TAS ein ausreichender Wert,
wenn sich die Streuungen der Messwerte auch in diesem Bereich befinden. An
sicherheitskritischen Wegpassagen müsste ggf. aber auch bei hier eine Genauigkeitsverbesserung bzw. Positionskorrektur vorgenommen werden.
4.5.3 Verbindungsaufbau und Verbindungssicherheit
Auch beim Verbindungsaufbau und bei der Verbindungssicherheit wurden starke Unterschiede festgestellt. So benötigte die Karte der Firma Holux wesentlich länger als die der
Firma Falcom, um eine Verbindung zu GPS-Satelliten herzustellen. Außerdem sollte man
darauf achten, dass beim ersten Verbindungsaufbau mit der Holux GM-270 Karte eine freie
Sicht gewährleistet ist und keine Bäume o.ä. den Empfang behindern. Andernfalls kann sich
die Zeit für einen Verbindungsaufbau weiter vergrößern oder unter Umständen bei schlechten
Empfangsbedingungen keine Verbindung aufgebaut werden. Dies war bei den Versuchen mit
dem Falcom-Empfänger nicht der Fall. Dieser konnte nach einer kurzen Zeit immer eine
Verbindung zu den GPS-Satelliten aufbauen.
Auch die Verbindungssicherheit war unter den im Messgebiet vorherrschenden Bedingungen
mit der Holux-Karte nicht gegeben. Des Öfteren wurden keine oder nur ungültige Daten
empfangen. So wurden z.B. bei den Langzeitmessungen am VP 102 über einen Zeitraum von
3min 22sek, was 202 Messwerten entspricht, nur ungültige Daten empfangen. Außerdem
bestand generell zu weit weniger Satelliten eine Verbindung, was eine höhere Genauigkeit
und Sicherheit verhinderte. All dies wird auf die unterschiedlichen Chipsätze der beiden
Karten zurückgeführt. Der SiRF-Chipsatz des Falcom GPS-Empfängers mit der XTrackSoftware, welcher für einen Einsatz unter schlechten oder schwierigen Empfangsbedingungen
entwickelte wurde, kommt mit den im Messgebiet vorhanden Bedingungen wesentlich besser
zurecht als der Star II/LP Chipsatz, welcher in der Holux-Karte zum Einsatz kommt. Mit dem
SiRF-Chipsatz wurden auch bei teilweise dichtem Baumbestand immer Signale von
mindestens 3 Satelliten empfangen. Dies war bei der Holux-Karte stellenweise nicht einmal
bei freien Sichtbedingungen wie z.B. auf einer Lichtung der Fall.
55
Unterschiedliche Wetterbedingungen hingegen hatten keinen Einfluss auf die Messergebnisse.
Auch bei bedecktem Himmel konnte, mit beiden Geräten, eine Verbindung zu GPS-Satelliten
aufgebaut werden. So wurden bei den Untersuchungen zur absoluten Genauigkeit, welche bei
schlechteren Wetterbedingungen (teilweise bedeckter, wolkenverhangener Himmel und
vereinzelte Schauer) stattfanden als die Messungen an den POI, im Durchschnitt mit der
Falcom NAVI-1 GPS-Karte 6 und mit der Holux GM-270 GPS-Karte 4 Satellitensignale
empfangen. Dieser Unterschied ist jedoch nicht auf die Wetterbedingungen zurückzuführen.
Vielmehr liegt das in den allgemein schlechten Empfangsbedingungen dieser Karte
begründet.
Negativ auf die Messungen wirkte sich allerdings auftretender Wind aus. Bei starkem Wind
und einem Messpunkt unter oder sehr dicht an einem Baum, wurden größere Streuungen bei
den einzelnen Messwerten beobachtet. Eine Erklärung hierfür sind auftretende Interferenzen,
welche durch die Bewegung der Äste verstärkt werden. Dies ist auch ein Grund für die
schlechteren Messergebnisse bei den Messungen an den POI entlang des Weges 2, da sich
dort zwei von den sechs Messpunkten sehr dicht (Messpunkt 1) bzw. direkt unter einem Baum
(Messpunkt 2) befinden.
4.6
Verbesserung der Genauigkeit
Um die Genauigkeit von GPS zu verbessern stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung.
Die wichtigsten Möglichkeiten sollen hier kurz beschrieben werden, welche besonders für die
Verwendung im Hinblick für das Projekt TAS interessant sein könnten. Auf eine vollständige
Ausarbeitung aller möglichen Verfahren und Systeme muss aber verzichtet werden, da es den
Rahmen dieser Arbeit sprengen würde.
4.6.1
SISNeT
Die ESA bietet den Dienst SISNeT (Signal in Space through the Internet) an. SISNeT
ermöglicht den Echtzeitempfang des EGNOS-Korrektursignals in Bereichen, in denen die
geostationären EGNOS-Satelliten abgeschattet sind und somit keine Verbindung zu diesen
aufgebaut werden kann. Voraussetzung für die Nutzung von SISNeT ist die Verfügbarkeit des
Internets mit einer minimalen Datenrate von 1 kbit/s. Die drahtlose Verbindung zum Internet
56
kann entweder über WLAN (Wireless Local Area Network) oder über GSM/GPRS hergestellt
werden. Die Verbindung über WLAN ist jedoch oft nur in Städten und deren Randgebieten
möglich. Für die meisten Nutzer, welche sich im freien Gelände bewegen, bleibt somit nur
das Mobiltelefon als drahtloser Internetzugang, vorausgesetzt, das Handy bietet dem
Anwender die Möglichkeit einer solchen Verbindung und das Mobilfunknetz ist stark genug
(siehe dazu Kapitel 5). Außerdem muss ein Datenaustausch zwischen dem Handy und dem
Endgerät (PDA oder ähnliches) möglich sein. In der Regel wird dies über eine BluetoothVerbindung erfolgen. Dies setzt allerdings wiederum voraus, dass eine solche Verbindung
zwischen Handy und Endgerät erfolgen kann. Die neuen Handygenerationen bieten diese Art
der Verbindung und auch die neuesten PDAs haben oft schon eine serienmäßige BluetoothSchnittstelle eingebaut. Die Genauigkeit dieses Dienstes soll in denselben Bereichen wie beim
EGNOS-Betrieb liegen, da die gleichen Korrekturdaten gesendet werden. Eine Gebührenerhebung für die Nutzung dieses Dienstes ist nicht vorgesehen. Allerdings muss der Nutzer
die Kosten für die Internetverbindung tragen und sich gegebenenfalls ein entsprechendes
Handy und Endgerät zulegen. Theoretisch steht der SISNeT-Dienst registrierten Testnutzern
kostenlos zur Verfügung. Dem Autor war es aber nicht möglich, sich registrieren zu lassen,
um den Dienst nutzen zu können. Mehrmalige Schreiben an die ESA blieben leider
unbeantwortet. Des Weiteren ist für die Nutzung dieses Dienstes ein Tool zur Auswertung der
Empfangenen Korrekturdaten notwendig, da die gesendeten Daten zusätzlich verschlüsselt
sind. Ein solches Tool wird von der ESA aber noch nicht zum freien Download angeboten
(Stand: November 2004). Es besteht aber die Möglichkeit, sich das erforderliche Programm
selbst zu erstellen und zu programmieren. Allerdings setzt dies Programmierkenntnisse des
gewollten Nutzers voraus. Notwendige Angaben zum Aufbau der Software werden von der
ESA zur Verfügung gestellt.
4.6.2
Tag-Systeme
Eine weitere Möglichkeit der Genauigkeitsverbesserung bietet der Einsatz von Tags. Der
Begriff Tag stammt aus dem Englischen und bedeutet Marke. Tag-Systeme werden überwiegend zur Positionsbestimmung in Gebäuden eingesetzt. Es spricht aber nichts gegen eine
Verwendung solcher Systeme zur Lokalisierung im freien Feld. Eine komplette Positionsbestimmung nur mit dieser Technik wäre aber nur sehr schwer und mit sehr großem Aufwand
möglich. Für eine Verbesserung der Genauigkeit an ausgewählten Punkten wie z.B. Brücken
57
oder Weggabelungen, an denen eine exaktere Ortsbestimmung gefordert wird, könnten solche
Systeme jedoch verwendet werden. Tag-Systeme können auf verschiedenen Technologien
basieren. So gibt es Systeme mit Infrarot-Sendern („Active Badge“), Funk-Sendern („Spot
On“) oder Ultraschall-Sendern („Active Bat“, „Cricket“) [2]. Im Folgenden soll auf die
Möglichkeit der Genauigkeitsverbesserung mit Tag-Systemen eingegangen werden, die
Funksignale verwenden. Funksignale bieten gegenüber Infrarot den Vorteil, dass sie
nichtmetallische Gegenstände durchdringen und kein Sichtkontakt zwischen Sender und
Empfänger vorhanden sein muss. Außerdem kann der Empfang von Infrarot z.B. durch
direkte Sonneneinstrahlung gestört werden. Weitere Vorteile von Funkkommunikation im
Vergleich zu Infrarot sind eine höhere Bandbreite und geringere Kosten. Ein auf Funksendern
basierendes Konzept zur Positionsbestimmung verwendet RFID-Tags. Radio Frequency
Identification (RFID) bezeichnet die kontaktlose Identifikation mittels Funkübertragung.
RFID-Systeme bestehen aus einer Lesestation und Transpondern. Dabei unterscheidet man
zwischen aktiven und passiven Systemen. Bei aktiven Systemen haben die Transponder eine
eigene Stromversorgung, bei passiven erfolgt die Energieversorgung des Transponders
drahtlos über die Lesestation. Die Speichermöglichkeit der RFID-Tags reicht von wenigen Bit
(z.B. einer ID) bis zu einigen kBit. In einem passiven RFID-System sendet ein RFIDLesegerät Energie zu einem RFID-Tag, welches sich an dem zu lokalisierenden Objekt
befindet. Das Tag nimmt die Energie über eine Antenne auf, verarbeitet das Signal und sendet
eine Antwort an das Lesegerät. Passive Tags sind viel leichter als aktive Tags und bieten
praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Der größte Nachteil ist jedoch ihr sehr begrenzter
Leseabstand von ca. 1m. Somit muss der Nutzer eines solchen Systems immer sehr nah an das
Tag um dieses zu erkennen. Aktive Tags hingegen haben eine größere Reichweite. Diese
reicht von zwei bis zu einigen hundert Metern bei den neusten Versionen, welche aber in
Europa noch nicht zugelassen sind. Aktive Tags sind batteriebetrieben und versenden ihre
Kennung in regelmäßigen Abständen bzw. wenn sie von anderen Sendern aktiviert werden.
Da RFID-Systeme, egal ob passive oder aktive, nicht kontinuierlich die Position der
Teilnehmer bestimmen, sondern nur registrieren, ob die Tags (die damit gekennzeichneten
Teilnehmer) gewisse Punkte passieren, kann man diese auch nur als Zusatzsysteme einsetzen.
Besonders an Wegpunkten wie Brücken oder Weggabelungen, an denen eine höhere
Genauigkeit gefordert wird, könnte ein solches System zum Einsatz kommen. Ein mögliches
Szenario für die Anwendung aktiver Tags soll hier kurz beschrieben werden. In Bild 4.1 ist
eine 3 m breite Brücke entlang eines Weges dargestellt. An dieser befinden sich insgesamt
58
vier aktive Tags, welche an den Ecken der Brücke befestigt sind und jedes eine eindeutige
Kennung sendet.
Aktives Tag
Abdeckungsbereich
3m
2,50m
Bild 4.5: Beispiel zur Nutzung von Tags zur Genauigkeitsverbesserung
Wenn nun jedes Tag z.B. eine Reichweite von 2,50 m besitzt, so entsteht ein Bereich in dem
die Signale von zwei Tags empfangen werden. Dies kann man zur sicheren Führung des
Anwenders über die Brücke nutzen. Nähert sich der Nutzer mit dem RFID-Lesegerät der
Brücke, so empfängt er die Signale der RFID-Tags. Werden zwei unterschiedliche Signale
bzw. zwei unterschiedliche Kennungen empfangen, so befindet sich der Nutzer im sicheren
Bereich. Er kann nun seinen Weg über die Brücke fortsetzen. Wird nur ein Signal bzw. eine
Kennung empfangen, so muss eine Korrektur seiner Position und somit seiner Bewegungsrichtung erfolgen, damit der Anwender sicher über die Brücke geleitet werden kann. Für die
Auswertung der empfangenen Daten wäre ein entsprechendes Tool notwendig. Dieses müsste,
z.B. in Verbindung mit einer Richtungserkennung (siehe Kapitel 6), eine eventuell
notwendige Korrektur der Position und somit der Bewegungsrichtung durchführen oder dem
Nutzer mitteilen, dass er seinen gegenwärtigen Weg fortsetzen kann. Somit kann durch den
Einsatz von Tags eine punktuelle Verbesserung der Genauigkeit erfolgen. Allerdings muss für
ein solches System jeder mögliche Weg einzeln auf eventuell vorhandene Wegpunkte
59
untersucht werden, an denen eine erhöhte Genauigkeit erforderlich ist. Des Weiteren
entstehen hohe Folgekosten für die Wartung und Instandhaltung der so markierten Objekte.
Die aktiven Tags müssten mit einer Stromversorgung (bei Batteriebetrieb müsste eine
Kontrolle der Batterieladung erfolgen) und mit einem Schutz gegen Umwelteinflüsse und
Wandalismus versehen werden. Auch ist eine ständige Kontrolle der Funktionalität
notwendig, um die Sicherheit der Nutzer zu gewährleisten.
4.6.3
SAPOS
SAPOS ist der Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung. Er basiert
auf der Technik von GPS und einem bundesweit flächendeckendem Netz von Referenzstationen. Zur Verbesserung der Positionsgenauigkeit werden dem Nutzer bei DGPSMessungen Korrekturdaten, welche hier als SAPOS-Daten bezeichnet werden, zur Verfügung
gestellt. Diese SAPOS-Daten besitzen unterschiedliche Genauigkeitsniveaus von wenigen
Zentimetern bis zu einigen Metern. In der folgenden Tabelle 4.17 sind die verschiedenen
Echtzeit-Verfahren und die damit erzielbaren Genauigkeiten dargestellt.
Service
Übertragungsmedium
Genauigkeit
Ausrüstung
HEPS
Mobilfunk (GSM),
1 bis 2 cm (Lage)
Geodätischer GPS-
2m-Band-Funk (optional),
2 bis 6 cm (Höhe)
Empfänger,
Internet (geplant)
Modem/Handy zur
Datenkommunikation
EPS
UKW/LW, Mobilfunk, 2m- 0,5 bis 3m
DGPS-Empfänger,
Band-Funk, Internet
Modem/Handy zur
Datenkommunikation
Tabelle 4.17: Genauigkeit der SAPOS-Services
Für Thüringen stehen 16 Referenzstationen zur Bestimmung der SAPOS-Daten zur
Verfügung. Die Daten werden dann an eine zentrale Station vermittelt und dort verwertet. Als
Übertragungsmedium stehen im Land Thüringen UKW oder Mobilfunk zur Verfügung. Der
Empfang über 2m-Band-Funk ist nur in Küstengebieten (Anwendung in der Schifffahrt) und
der über LW nur noch bis 2005 möglich. Die Nutzung eines UKW-Empfängers ist auf Grund
60
der unpraktischen, großen und schweren Ausführung nicht für die Verwendung im Projekt
TAS geeignet. Ein System, welches das Internet als Bezugsquelle der Korrekturdaten nutzt,
wird derzeit aufgebaut. Für das Projekt TAS wäre damit SAPOS-EPS (Echtzeit-Positionierungs-Service) zur Verbesserung der Genauigkeit als Anwendung denkbar. Die erreichbaren Genauigkeiten von 0,5 m bis 3 m sollten für TAS ausreichend sein. Es bietet gegenüber
SAPOS-HEPS (Hochpräziser Echtzeit-Positionierungs-Service) den Vorteil, dass keine
Benutzungsgebühren anfallen und nur ein DGPS fähiger Empfänger und eine GSM/GPRSVerbindung zum Empfang der Korrekturwerte benötigt werden. Allerdings muss sich ein
Nutzer mit seiner Mobilfunknummer beim Landesvermessungsamt registrieren. Erst danach
ist der Empfang der Korrekturdaten für diese Nummer freigeschaltet. Da dieses System vom
Landesvermessungsamt angewendet wird, sollte auch die nötige Sicherheit und Verfügbarkeit
gewährleistet sein. Eine Untersuchung der Feldstärke von verschiedenen Mobilfunknetzen im
betrachteten Gebiet um Georgenthal wurde vorgenommen und ist im folgenden Kapitel 5
beschrieben. Die Angaben zur Genauigkeit basieren allerdings auf Messungen, welche mit
professionellen Endgeräten erfolgten. Diese Systeme sind relativ komplex und sehr groß, so
dass sie für eine Nutzung im Freizeitbereich und vor allem im behinderten Bereich wohl keine
Anwendung finden. Inwieweit diese Genauigkeiten von 0,5 m bis 3 m auch mit einfachen
handelsüblichen DGPS-Empfängern erreicht werden, bleibt jedoch abzuwarten. Als ein
weiterer Nachteil könnte sich die Datenkommunikation herausstellen, da für den Empfang der
SAPOS-Daten im Normalfall eine GSM-Verbindung genutzt wird. Dies sind zwar die
einzigen, zusätzlich anfallenden Kosten, jedoch können diese auch sehr hoch werden. Je nach
Verbindungsgebühren können so, bei einer mehrstündigen Wanderung und Nutzung von
SAPOS-EPS, bis zu 100 € anfallen. Diese Kosten könnten bei Nutzung von GPRS als
Übertragungsmedium verringert werden, da hier eine Abrechnung nach Datenvolumen und
nicht nach der Verbindungsdauer erfolgt. Der Korrekturdatenstrom hat nur eine Größe von ca.
1100 bit/s [nach A1]. Dadurch sinken bei GPRS die Kosten für die Übertragung von Korrekturdaten im Vergleich zu GSM um bis zu 90%. Allerdings ist die Bedingung hierfür, dass
die Daten im Internet bereit stehen. Dies ist noch nicht der Fall, befindet sich aber zurzeit
schon im Aufbau. Der Vorteil von SAPOS gegenüber SISNeT, welches auf dem gleichen
Prinzip beruht, ist, dass die Korrekturdaten speziell für jedes Bundesland und die einzelnen
Gebiete bestimmt und angeboten werden. Dadurch ist eine größere Genauigkeit möglich.
Außerdem liegen die Daten im standardisierten RTCM-Datenformat vor.
61
5.
Untersuchungen zur Feldstärke von Mobilfunknetzen
Neben den Untersuchungen zur Verfügbarkeit und Genauigkeit von GPS wurde außerdem die
Verfügbarkeit und Qualität von Mobilfunknetzen verschiedener Netzanbieter betrachtet.
Damit sollte geprüft werden, inwieweit die Möglichkeit eines Notrufes oder einer möglichen
Notortung über das GSM-Netz im untersuchten Gebiet besteht. Außerdem können bei
hinreichender Feldstärke auch zusätzliche Daten über das Mobiltelefon gesendet werden,
welche u.a. zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsangabe (SISNeT, SAPOS) beitragen
bzw. touristische Informationen oder Angaben zum Nutzer selbst enthalten.
Bei den Messungen wurden die 3 wichtigsten in Deutschland betriebenen Mobilfunknetze D1,
D2 und E-Plus betrachtet. Mittels einer SIM-Karte für das jeweils zu untersuchende Netz und
einem handelsüblichen Handy (Ericsson T65) wurde die Netzstärke anhand der Empfangsbalken im Display des Gerätes aufgenommen. Die Beobachtungen erfolgten an verschiedenen
Tagen. Die Umgebungsbedingungen waren jedoch an allen Tagen mit sonnigem, nur teilweise
bedecktem Himmel, Temperaturen zwischen 19 °C und 27 °C und nur schwachem bis
mäßigem Wind annähernd gleich, so dass Differenzen in der Empfangsfeldstärke nicht auf
unterschiedliche Wetterbedingungen zurückzuführen sind. Anhand der so gewonnenen Daten
wurde eine „Feldstärkekarte“ für die einzelnen Messstrecken erarbeitet.
Dabei wurde festgestellt, dass sich das E-Plus-Netz als das Schwächste erwies. Es zeigte sehr
große Schwankungen in der Empfangsstärke und wies auch sonst die meisten Empfangslücken auf, so dass des Öfteren kein Empfang vorhanden war bzw. nur die Möglichkeit eines
Notrufes bestand. Für einen eventuellen Informationsaustausch zwischen dem Nutzer und
einer Basisstation ist dieses Netz deshalb nicht zu empfehlen. Für einen möglichen Notruf ist
aber grundsätzlich nutzbar. Somit sollte auch die Möglichkeit einer eventuellen Notortung
gegeben sein. Die Netze D1 und D2 erwiesen sich bei den Untersuchungen als wesentlich
leistungsfähiger. Zwar wurden auch hier Schwankungen in der Feldstärke beobachtet, doch
fielen diese schwächer aus. Empfangslücken waren in beiden Netzen nur punktuell (siehe Bild
4.2) und nicht so oft wie beim E-Plus-Netz zu beobachten. Auch die Schwankungen in der
Empfangsfeldstärke waren nicht so groß wie beim E-Plus-Netz. Außerdem wechselten sie
nicht so schnell zwischen sehr gut und schlecht. Die besten Empfangstärken, mit eigentlich
fast durchgängigem Empfang, und als relativ netzstark erwies sich das D2-Netz. Nur geringfügig schlechter ist das D1-Netz zu beurteilen. Somit sind diese beiden Netze für mögliche
Anwendungen im Rahmen von TAS zu empfehlen. In den folgenden Abbildungen sind für
die einzelnen untersuchten Wege die Netzstärken der betrachteten Funknetze zu sehen. Die
62
unterschiedlichen Funknetze sind durch verschiedene Farben gekennzeichnet. Blau
kennzeichnet das D1-Netz, rot das D2-Netz und grün entspricht der Netzstärke des E-PlusNetzes.
a)
b)
c) Bild 5.1: Netzstärke von D1, D2, E-Plus
a) Weg 1 (über Straße)
b) Weg 2 (über Bärenweg)
c ) Weg 3 (entlang des Totenstein)
Aus den einzelnen Bildern kann man entnehmen, dass alle Netze stellenweise schlechte
Empfangstärken aufweisen. Im Bild 4.2 a) ist zu erkennen, dass alle Netze um den Messpunkt
6 herum (Vergleich mit Anhang D) teilweise keinen oder nur sehr schlechten Empfang haben.
63
Dies ist nur damit zu erklären, dass die Empfangsbedingungen dort generell sehr schlecht sind
und somit ein, wenn auch nur punktuelles, Funkloch bei allen untersuchten Netzen besteht.
Was dieses Funkloch hervorruft, kann nicht genau geklärt werden. Es liegen keine besonderen
topographischen Begebenheiten vor. Ferner sind auch keine anderen Einflüsse wie
Elektroleitungen, welche den Empfang beeinträchtigen könnten, in diesem Gebiet erkennbar.
Auch der Weg unterscheidet sich an dieser Stelle nicht wesentlich vom Rest der Route.
Generell kann man für die betrachteten Netze sagen, dass sich die Gebiete mit gutem bzw.
auch die mit schlechtem Empfang im Wesentlichen in den gleichen Streckenabschnitten der
einzelnen Wege befinden. Zwar gibt es auch dort einzelne Unterschiede in den jeweiligen
Empfangsstärken, vor allem aber die beiden D-Netze sind doch relativ gleich. Nur das E-PlusNetz, welches im Allgemeinen schon einen etwas schwächeren Empfang aufweist, kann diese
Tendenz nicht ganz bestätigen. Obwohl auch hier festzustellen ist, dass dort, wo ein guter
Empfang mit E-Plus vorlag, auch die D-Netze überzeugten.
64
6.
Richtungserkennung
Neben der Positionsangabe kann eine Richtungserkennung für die Führung von Personen eine
zusätzliche Hilfe darstellen, um sich in einem Gebiet zurechtzufinden. Im Allgemeinen wird
für eine Richtungsdetektion ein Kompass als Hilfsmittel gewählt. Allerdings bedeutet dies
auch, dass ein zusätzliches Gerät zum Einsatz kommt. Somit müsste man neben einem GPSfähigen Endgerät ein weiteres Gerät mitführen und im Auge behalten. Besonders im Hinblick
auf eine Anwendung für behinderte Personen, wie beim Projekt TAS vorgesehen, kann dies
zu Problemen führen. So müsste z.B. eine sehbehinderte Person neben dem GPS-Endgerät
(etwa ein PDA) und einem eventuell benötigtem Blindenstock noch zusätzlich einen Kompass
benutzen. Aus diesem Grund wurde nach Möglichkeiten gesucht, um die Richtungserkennung
auch ohne solch ein zusätzliches Gerät zu gewährleisten. Dabei bietet sich GPS an, da es
bereits für die Positionsbestimmung verwendet wird.
So erfolgt neben einer Ortsangabe auch eine Richtungserkennung mittels GPS. Diese
Richtung wird im RMC-Datenprotokoll übertragen (siehe Kapitel 3.5.3). Allerdings definiert
der NMEA-Standard nicht, wie diese Richtungsbestimmung erfolgt (siehe Anhang C). Damit
ist es den Herstellern überlassen, wie sie den „Course Over Ground“ (COG), also die Richtungsangabe, bestimmen und ausgeben, was bei den verschiedenen GPS-Empfängern zu
Differenzen bei der Angabe des COG führt. Dies wurde auch bei den durchgeführten
Messungen beobachtet. Im folgenden Bild 6.1 sind Teile des aufgenommenen NMEAProtokolls für den KFP 101, sowohl für den Falcom als auch für den Holux GPS-Empfänger,
zu sehen. Zur Veranschaulichung wurden nur die Werte des RMC-Datensatzes dargestellt.
Ein COG-Wert von 0.0 bzw. 360 entspricht dabei eine Bewegungsrichtung nach Norden.
Demzufolge entspricht ein COG von 90 Osten, von 180 Süden und von 270 Westen.
65
$GPRMC,084400.495,A,5048.6888,N,01040.3323,E,0.08,90.03,141004,,,A*5F
$GPRMC,084401.495,A,5048.6886,N,01040.3327,E,0.08,129.02,141004,,,A*66
$GPRMC,084402.495,A,5048.6893,N,01040.3329,E,0.06,78.44,141004,,,A*56
$GPRMC,084403.495,A,5048.6896,N,01040.3327,E,0.07,79.33,141004,,,A*5C
$GPRMC,084404.494,A,5048.6900,N,01040.3321,E,0.07,65.13,141004,,,A*5D
$GPRMC,084405.494,A,5048.6905,N,01040.3321,E,0.08,65.90,141004,,,A*5D
$GPRMC,084406.494,A,5048.6907,N,01040.3316,E,0.08,76.63,141004,,,A*56
$GPRMC,084407.494,A,5048.6910,N,01040.3319,E,0.08,73.35,141004,,,A*58
$GPRMC,084408.494,A,5048.6903,N,01040.3305,E,0.09,141.81,141004,,,A*66
$GPRMC,084409.494,A,5048.6903,N,01040.3302,E,0.08,83.41,141004,,,A*52
$GPRMC,090549.783,A,5048.6938,N,01040.3347,E,0.000000,,111004,,*1E
$GPRMC,090550.783,A,5048.6940,N,01040.3350,E,0.000000,,111004,,*1F
$GPRMC,090551.783,A,5048.6942,N,01040.3353,E,0.000000,,111004,,*1F
$GPRMC,090552.782,A,5048.6944,N,01040.3357,E,0.000000,,111004,,*1F
$GPRMC,090553.782,A,5048.6946,N,01040.3360,E,0.000000,,111004,,*18
$GPRMC,090554.782,A,5048.6948,N,01040.3363,E,0.000000,,111004,,*12
$GPRMC,090555.782,A,5048.6949,N,01040.3366,E,0.000000,,111004,,*17
$GPRMC,090556.782,A,5048.6951,N,01040.3368,E,0.000000,,111004,,*13
$GPRMC,090557.782,A,5048.6952,N,01040.3370,E,0.000000,,111004,,*18
$GPRMC,090558.782,A,5048.6954,N,01040.3372,E,0.000000,,111004,,*13
a)
b)
Bild 6.1: RMC-Datensatz des NMEA-Protokolls der Messung am KFP 101
a) Falcom GPS-Empfänger
b) Holux GPS-Empfänger
Bei den Messungen lag der jeweilige Empfänger immer fest auf dem KFP, er wurde nicht
bewegt oder gedreht. Trotzdem wird im RMC-Datensatz des Falcom-Empfängers ein COGWert ausgegeben. Anders beim Holux-Empfänger, welcher keinen Richtungswert im Datenprotokoll enthält. Dies entspricht auch der Realität, da ja keine Bewegung und somit auch
keine Richtungsänderung erfolgte. Eine reine Auswertung dieses Datenfeldes kann somit bei
verschiedenen Herstellern zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, besonders wenn sich der
Nutzer nicht bewegt. Neben diesen Differenzen zwischen Produkten einzelner Hersteller ist
noch ein weiteres Problem festzustellen. So wird bei dem Datensatz der GPS-Karte von
Falcom beim Zeitwert „084408.494“ (= vorletzter Wert) ein COG von 141,81 Grad (was
einer Bewegungsrichtung nach Süd-Osten entspricht) angegeben. Betrachtet man allerdings
die Positionsangaben und deren Veränderung, so erfolgt die Bewegung in Richtung SüdWesten, entsprechend einem COG von 190 bis 260 Grad. Man muß also davon ausgehen,
dass es entweder zu einer fehlerhaften Positionsangabe oder Berechnung der Bewegungsrichtung gekommen ist, oder gar beide Werte falsch sind. Das hat zu der Überlegung geführt,
eine Richtungserkennung nur aus der Positionsänderung heraus durchzuführen. Zwar
resultiert daraus bei einer falschen Positionsangabe bzw. bei einer falschen Positionsänderung
auch eine fehlerhafte Richtungsangabe, jedoch wird ein Widerspruch, wie er beim oben
66
gezeigten Datensatz auftritt, ausgeschlossen. Außerdem könnte man beispielsweise bei einer
Auswertung der Änderungen der Werte für die Länge und die Breite keine Richtungsangabe
vornehmen, falls diese zu gering sind. Dadurch kann man die Schwankungen und Streuungen
bei den Messwerten berücksichtigten.
Aus diesen Überlegungen heraus wurde prototypisch eine Software zur Richtungserkennung
entwickelt. Das Programm entstand unter Microsoft VisualStudio.net 2001. Das größte
Problem bei der Umsetzung ist der Zugriff auf die GPS-Karte, da diese über den PCMCIASteckplatz mit dem Rechner verbunden ist. Einfache Programmiersprachen können jedoch
nicht ohne weiteres auf diesen zugreifen. Sie unterstützen nur Hardwareanbindungen über den
seriellen Port. Aus diesem Grund konnte auch eine Umsetzung mit Hilfe von Microsoft
Visual C++ nicht erfolgen. Auch unter Visual Studio.net konnte nur auf die Karte von Holux
zugegriffen werden. Der Rechner interpretiert hier die PCMCIA-Schnittestelle als seriellen
Port. Da die GPS-Karte von Falcom über eine Bluetooth-Karte mit dem Rechner verbunden
ist, war kein Zugriff mittels Programmierumgebung möglich. Der Zugriff auf die GPS-Karte
der Firma Holux gelang auch nur durch die Anwendung entsprechender Routinen, welche
einen Zugriff auf den seriellen Port erlauben. Diese wurden von der Ilmenauer Firma
„Software-Service John“ bereitgestellt. Der Ansprechpartner dort war Dipl.-Inf. Frank
Recknagel. In Zusammenarbeit mit dieser Firma erfolgte auch die Richtungserkennung aus
den Daten der Positionsänderung. Besonders die Umsetzung des entwickelten Algorithmus
zur Richtungserkennung mit Microsoft VisualStudio.net ist aus den oben genannten Gründen
ohne grundlegende Programmierkenntnisse nur sehr schwer möglich. Außerdem konnte durch
die Zusammenarbeit eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche entwickelt werden. Der
Algorithmus zur Richtungserkennung ist im nachfolgenden Bild 6.2 dargestellt.
67
START
Daten von
GPS-Karte
einlesen
$GPRMC
enthalten
nein
ja
A enthalten
nein
Bildschirmausgabe
ungültige Daten
ja
Lese Breitengrad aus
Lese Längengrad aus
Berechne Breiten/Längendifferenz
aufeinanderfolgender
Werte
Berechne zurückgelegte
Wegstrecke dVel
dVel < 5
nein
Berechne
Bewegungsrichtung
Bildschirmausgabe
der Richtung
ja
Bildschirmausgabe
zu geringe
Geschwindigkeit
Bild 6.2: Algorithmus der Richtungserkennung aus GPS-Daten
68
Für die Richtungsdetektion aus den GPS-Daten wurde der RMC-Datensatz des NMEAStandards gewählt, welcher im Allgemeinem von jeder GPS-Karte, die das NMEA-Protokoll
unterstützt, ausgegeben wird. Außerdem bietet dieser den Vorteil, dass neben den Werten für
die Längen- und Breitengrade auch ein Informationswert über die Gültigkeit der empfangenen
Daten enthalten ist. Dieses „Statusflag“ wird ebenfalls ausgewertet.
Die Auswertung der Daten der GPS-Karte erfolgt in der Art, dass diese zeilenweise eingelesen und dann die einzelnen Zeichen ausgewertet werden. Eine neue Zeile beginnt immer
nach dem Empfang des Zeichens für ein Zeilenende. Solange wie das Zeilenende nicht
erreicht ist, beginnt der eigentliche Algorithmus. Da für diesen die Daten des RMC-Datensatzes verwendet werden, erfolgt nur eine weitere Auswertung der nachfolgenden Daten,
wenn die Symbolfolge „$GPRMC“ in den empfangenen Zeichen vorhanden ist. Ist dies nicht
der Fall, so wird weiter durchsucht bis das Zeilenende erreicht ist oder die Symbolfolge
detektiert wird. Danach erfolgt die Überprüfung der Gültigkeit der GPS-Daten. Hierfür wird
das erwähnte Statusflag ausgewertet. Wenn keine gültigen Daten empfangen werden, d.h.
kein „A“ als Status ausgegeben wird, erfolgt keine Richtungserkennung und es erscheint im
Display „ungültige Daten“. Sind die Daten gültig, es wird also ein „A“ empfangen, so beginnt
die Auswertung der Positionswerte. Dafür werden die einzelnen Werte für die Breite und die
Länge aus dem Datensatz ausgelesen. Aus diesen und den vorangegangenen, „alten“
Positionsangaben wird dann die Längen- und Breitendifferenz bestimmt. Beim ersten
Durchlauf des Algorithmus sind die Werte für die vergangenen Breiten- und Längengrade auf
Null gesetzt. Durch diese Definition müssen somit 2-mal gültige Daten empfangen werden,
damit eine Richtungserkennung erfolgen kann. Der Algorithmus wird solange durchlaufen,
bis das Programm beendet wird. Neben der Längen- und Breitendifferenz wird auch noch die
effektiv zurückgelegte Wegstrecke berechnet. Da man die Erdoberfläche bei kleinen
Wegstrecken als eben betrachten kann, kann dies nach den Grundbeziehungen für die ebene
Trigonometrie erfolgen. Dadurch ergibt sich die zurückgelegte Wegstrecke „dVel“ aus
dVel =
(Längendifferenz )2 + (Breitendifferenz )2
.
(6.1)
Die Werte für die Länge und Breite werden im Format Grad.Minute.Minutenbruchteil
ausgegeben. Somit erfolgt auch die Berechnung der Längen- und Breitendifferenz in dieser
Einheit. Die Daten der GPS-Karte werden im Takt von einer Sekunde erneuert. Somit ist die
Wegstrecke „dVel“ gleichzeitig ein Maß für die Geschwindigkeit des Nutzers. Ist diese
kleiner als 1 m/s, was einem „dVel“ < 5 Minutenbruchteilen entspricht, so erfolgt keine
69
Richtungsangabe und es erscheint der Hinweis „zu geringe Geschwindigkeit“ im Display.
Durch diese Überprüfung können z.B. die Schwankungen in der Positionsangabe ausgeglichen werden, wenn sich der Nutzer nicht bewegt, das GPS-System aber trotzdem eine
Positionsveränderung detektiert. Ist die Geschwindigkeit groß genug, so wird eine Richtungserkennung durchgeführt. Die Bewegungsrichtung ergibt sich aus
 Breitendifferenz 
 .
Bewegungsrichtung = a tan
Längendiff
erenz


(6.2)
Die so ermittelte Bewegungsrichtung wird dann grafisch dargestellt. Dies ist in der
nachfolgenden Abbildung 6.3 zu sehen.
Bild 6.3: Programm „GPSDisplay“
Neben der Angabe der Bewegungsrichtung werden im unteren Teil der Bedienoberfläche die
empfangen Daten dargestellt.
Um das Programm starten zu können, muss die Verbindung zwischen der GPS-Karte und dem
Rechner als eine serielle Verbindung vorliegen und die Karte muss im NMEA-Modus
70
arbeiten. Liegt keine serielle Verbindung vor, so kann das Programm nicht gestartet werden
und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Besteht eine solche Verbindung, so muss unter
dem Button „Einstellungen“ die Karte konfiguriert werden. Ein Abspeichern dieser Einstellungen wurde bei der Entwicklung berücksichtigt. Sind alle Einstellungen korrekt vorgenommen, kann das Programm mit dem Button „Start“ gestartet werden. Danach durchläuft
das Programm den im Bild 6.2 dargestellten Algorithmus, bis es beendet wird.
Einen Nachteil weist die so aus der Positionsänderung bestimmte Bewegungsrichtung jedoch
auf: fehlerhafte Positionsangaben führen, wenn die Veränderung zum vorherigem
Positionswert groß genug ist, zu einer falschen Richtungsangabe. Dies kann aber bei den
aktuell erzielten Genauigkeiten von GPS nicht verhindert werden. Eine exakte Richtungsangabe, auch wenn sich der Nutzer auf der Stelle dreht und so ohne eine echte Positionsveränderung seine Blickrichtung ändert, kann nur mittels eines Kompasses bestimmt werden.
Besonders bei dieser Art der Richtungsänderung stößt der Algorithmus auf seine Grenzen.
Das hängt mit der Tatsache zusammen, dass sich eine einfache Drehung des Anwenders nicht
auf dessen Position auswirkt und das GPS-System somit auch keine Positionsveränderung
feststellt. Auch wenn das GPS-System eine 100%-ige Genauigkeit aufweisen würde, könnte
es doch diese Art der Richtungsänderung nicht feststellen. Eine eindeutige Richtungserkennung allein mit GPS ist somit nicht oder nur bedingt möglich. Sobald sich der Anwender
eines GPS-Systems bewegt, ist eine Richtungserkennung grundsätzlich durchführbar. Tests
mit der entwickelten Software haben gezeigt, dass die so ermittelte Bewegungsrichtung sehr
genau ist. Auch die Angabe des COG im RMC-Datenprotokoll entspricht, bei einer
Bewegung des Anwenders, fast immer der vorgenommen Bewegungsrichtung und stimmt
dann auch mit der Richtungsangabe des entwickelten Algorithmus überein. Die genannten
Nachteile bei der Richtungsangabe mittels des COG-Wertes können durch den Algorithmus
jedoch verringert und zum Teil auch ganz ausgeschlossen werden. Durch Festlegung eines
anderen Grenzwertes, ab welcher Größe der Positionsveränderung eine Richtungsangabe erfolgt, kann man auch für kleinere Positionsveränderungen eine entsprechende Richtungsangabe vornehmen. Sollte die Genauigkeit von GPS mit EGNOS/SISNeT/SAPOS oder
anderen Hilfssystemen die angegebenen Werte von 0,5 bis 3 m erreichen und sich dadurch
auch die Streuungen bei den einzelnen Positionsangaben verringern, so kann dies
berücksichtigt und auch bei kleineren Änderungen der Positonskoordinaten eine Richtungsangabe vorgenommen werden.
Die durch den vorgestellten Algorithmus bestimmte Bewegungsrichtung ist für eine
Richtungserkennung im Rahmen von TAS ausreichend. Ein Kompass zur Orientierungshilfe
71
ist nicht mehr notwendig, wenn ein GPS-Empfänger schon verwendet wird. Auch für eine
Verwendung im Zusammenhang mit einer Genauigkeitsverbesserung durch Tags (siehe
Kapitel 4.6.2) reicht die so ermittelte Bewegungsrichtung aus. Je nachdem, wie eine
Richtungserkennung bei TAS verwendet wird, ob als einfaches Zusatzinformationssystem
oder zur Führung von (seh)behinderten Personen, kann die entwickelte Software in den
verschiedenen Bereichen eingesetzt werden.
Eine Implementierung des vorgestellten Algorithmus auf einem PDA ist jederzeit möglich.
Als Problem kann sich aber dabei wieder der Zugriff auf die GPS-Karte herausstellen, je
nachdem, welche Programmierumgebung man verwendet und wie diese eine Hardwareanbindung unterstützen. Inwieweit das entwickelte Programm auf einem PDA verwendet
werden kann, sollte bei weiterführenden Tests untersucht werden. Probleme könnten hierbei
die unterschiedlichen Versionen der Programmierumgebung Microsoft VisualStudio.net 2001
für den PC und PDA sowie des Betriebssystems Windows bzw. Windows CE machen. Auch
die Tatsache, dass viele PDA’s keine x86 kompatiblen Prozessoren verwenden, kann zu
Schwierigkeiten führen.
72
7.
Zusammenfassung und Ausblick
In der Arbeit wurde untersucht, wie groß die erreichbare Genauigkeit von GPS und von GPS
in Verbindung mit EGNOS ist. Dabei wurde festgestellt, dass dazu eine allgemeingültige
Aussage nicht oder nur bedingt möglich ist. Die erzielten Genauigkeiten hängen stark vom
verwendeten Chipsatz der Karten ab. Auch die Verfügbarkeit und vor allem die Sicherheit
beim Empfang von GPS-Daten sind, bei den verwendeten GPS-Karten, von Hersteller zu
Hersteller unterschiedlich.
Das EGNOS-System zur Verbesserung der Genauigkeit befindet sich noch immer im
Testbetrieb. Bei den Untersuchungen konnte keine Verbindung zu dem EGNOS-Satelliten
aufgebaut werden. Aus diesem Grund kann keine Aussage über die Genauigkeit von GPS mit
EGNOS getroffen werden.
Aus den Ergebnissen der durchgeführten Messungen wird die Verwendung des Falcom
NAVI-1 GPS-Empfängers für eine mögliche Nutzung im Rahmen des Projektes TAS
empfohlen. Besonders die sehr guten Empfangsleistungen und die damit erzielten
Genauigkeiten sprechen für dieses Gerät.
Der Empfänger sollte nach Möglichkeit am Oberkörper, z.B. auf den Schulterdeckeln einer
Jacke oder als eine Art Kette um den Hals vor der Kleidung, des Nutzers getragen werden.
Dadurch wird eine Abschirmung der GPS-Signale durch den Körper verhindert.
Für eine Verbesserung der Genauigkeit sollten in weiterführenden Tests zum einen das
EGNOS-System und zum anderen der SAPOS–Dienst EPS untersucht werden. Für EGNOS
spricht dabei die Tatsache, dass keine Zusatzgeräte außer dem GPS/EGNOS-Empfänger
benötigt werden und dass keine zusätzlichen Kosten für die Nutzung dieses Systems
entstehen. Allerdings bleibt abzuwarten, wie sich die Verfügbarkeit der doch sehr flach
stehenden Satelliten entwickelt. Für die Verwendung von EPS spricht, dass es als professionelles System bei der Landesvermessung genutzt wird und eine sehr gute Genauigkeitsverbesserung bieten soll. Allerdings wird für die Nutzung im Normalfall eine GSMVerbindung benötigt. Dadurch kommen zusätzliche Kosten auf den Nutzer zu. Trotzdem
sollte bei weiterführenden Messungen im Rahmen von TAS untersucht werden, ob die
angegebenen Genauigkeiten mit einfachen, handelsüblichen Endgeräten erreicht werden
können.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit war die Untersuchung der Richtungserkennung. Es wurde
prototypisch eine Software zur Richtungsdetektion aus den GPS-Positionsdaten entwickelt.
73
Die Software soll als Grundlage für weitere Forschungen auf diesem Gebiet dienen. So
könnte eine Angabe der Bewegungsrichtung auch bei kleineren Positionsänderungen erfolgen,
wenn eine Verbesserung der Genauigkeit, und vor allem der Streuung, der von GPS
ermittelten Positionsdaten durch die erwähnten Zusatzsysteme stattfindet. In weiterführenden
Arbeiten sollte eine mögliche Einbindung der so ermittelten Bewegungsrichtung in ein
eventuell benötigtes Geo-Informations-System (GIS) und die Verwendung auf einem PDA
untersucht werden.
74
LITERATURVERZEICHNIS:
Mansfeld, Werner: Satellitenortung und Navigation. Vieweg Verlag, 1998
Winter, Sven: Barrierefreier Campus: Lokalisierung in Gebäuden. Medienprojekt an
der TU-Ilmenau, FG Kommunikationsnetze, 2004
[3]: Potthoff, Christian: Barrierefreier Campus: Lokalisierung im freien Feld.
Medienprojekt an der TU-Ilmenau, 2004
http://www.kowoma.de/gps/index.htm. Stand: 14.03.2004
[4]:
[5]:
ESA: http://www.esa.int
[6]:
Falcom: Input/Output Messages for FALCOM GPS receiver with SiRFstarIIe-chip-set
[7]: Heerwagen, Michael/Debes, Maik: TAS-Zwischenbericht „Beispielroute mit Angabe
der Kommunikationsmöglichkeiten“
[8]:
Falcom: Falcom NAVI-1 (Bluetooth GPS-Receiver) User’s Guide. Version 1.02
[9]:
ESA: http://ravel.esrin.esa.it/docs/egnos/estb/egnos_pro.htm , November 2004
[10]: National Marine Electronics Association: NMEA 0183 Standard for Interfacing
Marine Electronic Devices Vers. 3.00, National Marine Electronics Association, July
2000
[11]: Bauer, Manfred: Vermessung und Ortung mit Satelliten. Wichmann Verlag, 1997
[1]:
[2]:
Softwarebezugsquellen:
[S1]. www.visualgps.net
[S2]: www.falcom.com
[S3]: www.killetsoft.de
Ansprechpartner:
[A1]
SAPOS Thüringen: Christian Trautvetter, Thüringer Landesvermessungsamt,
Hohenwindenstraße 13a, Erfurt
75
Abkürzungsverzeichnis
C/A-Code
CDMA
CIS
COG
CTS
CW
DGPS
DOP
ECEF
EGNOS
EPS
ESA
ESTB
GGA
GIS
GLONASS
GNSS
GPRS
GPS
GSA
GSM
HEPS
KFP
LW
MCC
MEO
MSAS
NAVSTAR
RFID
RIMS
RMC
PCMCIA
POI
PPS
PRN
SA
SBAS
SI
SPS
TAS
TTFF
UKW
VP
WAAS
WGS
WLAN
= Coarse Aquistion Code
= Code Division Multiple Access
= Convential Inertial System
= Course Over Ground
= Conventional Terrestrial System
= Cotinuous Waves
= Differential GPS
= Dilution of Percision
= Earth Centered Earth Fixed System
= European Geostationary Navigation Overlay Service
= Echtzeit-Positionierungs-Service
= European Space Agency
= EGNOS System Test Bed
= Global Positioning Fix Data
= Geo-Informations-System
= Global Navigation Satellite System
= Global Navigation Satellite System
= General Packet Radio System
= Global Positioning System
= Global Navigation Satellite System (GNSS) DOP and Active Satellites
= Global System for mobile Communication
= Hochpräziser Echtzeit-Positionierungs-Service
= Koordinatenfestpunkt
= Langwelle
= Mission Control Centre
= Medium Earth Orbit
= Multifunctional Satellite Augmentation System
= Navigation Satellite Timing And Ranging
= Radio Frequency Identification
= Ranging and Integrity Monitor Stations
= Recommended Minimum Specific GNSS Data
= Personal Computer Memory Card International Association
= Points of Intrests
= Precision Positioning Service
= Pseudorandom Noise
= Selective Availibility
= Satellite Based Augmention System
= Sicherungspunkt
= Standard Positioning System
= Touristisches Assistenz System
= Time To First Fix
= Ultra-Kurz-Welle
= Vermessungspunkt
= Wide Area Augmention System
= World Geodetic System
= Wireless Lokal Area Network
76
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.1: Elliptische Bahn eines Satelliten................................................................ 3
Abbildung 2.2: Geometrische Beziehung zwischen Erde und Satellit................................ 4
Abbildung 2.3: Punkt P im räumlichen, kartesischem Koordinatensystem........................ 6
Abbildung 2.4: Äquatorsystem der sphärischen Astronomie.............................................. 8
Abbildung 2.5: Kartesischen und elliptische Koordinaten.................................................. 9
Abbildung 2.6: Ellipsoid und Geoid.................................................................................... 11
Abbildung 3.1: Gerärekonfiguration und Signalverlauf nach der Einweg-Methode.......... 18
Abbildung 3.2: Sendeplan der ESTB/EGNOS-Satelliten................................................... 24
Abbildung 3.3: Zweidimensional vereinfachte Darstellung des IONO Korrekturgitters.... 25
Abbildung 3.4: INMARSAT-Satelliten und deren Ausleuchtungsbereich......................... 26
Abbildung 4.1: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP.................................................................................................... 43
Abbildung 4.2: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP.................................................................................................... 45
Abbildung 4.3: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP.................................................................................................... 49
Abbildung 4.4: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP.................................................................................................... 51
Abbildung 4.5: Beispiel zur Nutzung von Tags zur Genauigkeitsverbesserung................ 59
Abbildung 5.1: Netzstärke von D1, D2, E-Plus.................................................................. 63
Abbildung 6.1: RMC-Datensatz des NMEA-Protokolls der Messung am KFP 101.......... 66
Abbildung 6.2: Algorithmus der Richtungserkennung aus GPS-Daten.............................. 68
Abbildung 6.3: Programm „GPSDisplay“........................................................................... 70
Abbildung D.1: Wege mit Messpunkten..............................................................................107
Tabellenverzeichnis:
Tabelle 2.1: einige Parameter WGS 84............................................................................... 12
Tabelle 3.1: Übersicht zur Grundkonzeption von GPS....................................................... 16
Tabelle 3.2: Zusammensetzung der Pseudorange............................................................... 19
Tabelle 3.3: Genauigkeit von GPS-Systemen..................................................................... 20
Tabelle 3.4: Satelliten und deren Bezeichnung................................................................... 27
Tabelle 3.5: GGA-Datensatz............................................................................................... 30
Tabelle 3.6: GSA-Datensatz................................................................................................ 31
Tabelle 3.7: RMC-Datensatz............................................................................................... 32
Tabelle 4.1: min. und max. Fehler für Länge und Breite der Falcom GPS-Karte.............. 39
Tabelle 4.2: Einstufung der Messpunkte............................................................................. 40
Tabelle 4.3: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP......................................................................................................... 42
Tabelle 4.4: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2m, 4m, 8m............... 43
Tabelle 4.5: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP ( Messzeit 90sek)................................ 44
Tabelle 4.6: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP.......................................................................................................... 44
Tabelle 4.7: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2m, 4m, 8m................ 45
Tabelle 4.8: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP ( Messzeit 12min)................................ 45
Tabelle 4.9: min. und max. Fehler für Länge und Breite der Holux GPS-Karte................. 47
Tabelle 4.10: Einstufung der Messpunkte........................................................................... 47
Tabelle 4.11: Anzahl der Messwerte der Kurzzeitmessung im jeweiligen Abstand
77
zum KFP........................................................................................................ 48
Tabelle 4.12: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2m, 4m, 8m.............. 49
Tabelle 4.13: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP ( Messzeit 90sek).............................. 49
Tabelle 4.14: Anzahl der Messwerte der Langzeitmessung im jeweiligen Abstand
zum KFP........................................................................................................ 50
Tabelle 4.15: Anzahl der Messwerte mit Abstand zum KFP kleiner 2m, 4m, 8m.............. 51
Tabelle 4.16: Absoluter Abstand Mittelwert – KFP ( Messzeit 12min).............................. 51
Tabelle 4.17: Genauigkeit der SAPOS-Services................................................................. 60
Tabelle A.1: Beschreibung der Tabellenwerte................................................................... 79
Tabelle D.1: Beschreibung der Messpunkte auf dem Weg 1............................................. 108
Tabelle D.2: Beschreibung der Messpunkte auf dem Weg 2............................................. 108
Tabelle D.3: Beschreibung der Messpunkte auf dem Weg 3............................................. 109
Tabelle E.1: Umrechnung der Positionswerte der einzelnen KFP von Gauß-Krüger in
WGS84-Koordinaten..................................................................................... 110
78
Anhang A
Es sind, für die Messungen an den 6 KFP, die einzelnen Messergebnisse dargestellt. Zu den
jeweiligen Messreihen sind folgende Messwerte, jeweils für die Breite und die Länge, den
Anhängen zu entnehmen:
Min
Minimum der gemessenen Werte (in Grad.Minute.Minutenbruchteil)
Max
Maximum der gemessenen Werte (in Grad.Minute.Minutenbruchteil)
Mittelwert
Mittelwert der Messreihe (in Grad.Minute.Minutenbruchteil)
St.abweichung
Standardabweichung = gemittelte Abweichung vom Mittelwert (in
Grad.Minute.Minutenbruchteil)
Mittl. Fehler [m] Mittlerer Abstand zum Mittelwert [in Metern]
Max Satellit
Maximale Anzahl der empfangenen Satelliten
Min Satellit
Minimale Anzahl der empfangenen Satelliten
Samples
Anzahl der aufgenommenen Messwerte
KFP
Koordinaten des jeweiligen KFP
∆ MW (D.M.M) Abstand des Mittelwerts zum KFP (in Grad.Minute.Minutenbruchteile)
∆ MW [m]
Abstand des Mittelwerts zum KFP [in Metern]
Abstand abs. [m] Absoluter Abstand (= Strecke) Mittelwert – KFP [in Meter]
Tabelle A.1: Beschreibung der Tabellenwerte
Zusätzlich wurden die gemessenen Positionswerte und die Anzahl der gemessenen Werte in
Abständen von einem Meter zum KFP grafisch dargestellt. Ab einem Abstand größer als 16 m
zum KFP erfolgte keine weitere Einteilung der einzelnen Messwerte. Die Anzahl dieser
wurde unter dem x-Wert 20 m dargestellt.
79
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 100 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7730 050.48.7696 050.48.7710
Länge 010.40.3539 010.40.3491 010.40.3512
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0006
Breite 050.48.7716
000.00.0010
Länge 010.40.3522
St.abweichung
000.00.0009
000.00.0013
mittl. Fehler
[m]
1,67
1,52
Max
Satellit
6
Min
Satellit
6
Samples
91
Abstand abs. [m]
1,75
∆ MW [m]
1,30
1,17
gemessene Positionen
050.48.7735
N-Breite (D.M.M)
050.48.7730
050.48.7725
050.48.7720
Messwerte
050.48.7715
Mittelwert (MW)
050.48.7710
KFP
050.48.7705
050.48.7700
050.48.7695
050.48.7690
010.40.3490
010.40.3505
010.40.3520
010.40.3535
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
14
16
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
1
Messwerte Länge
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 100-Wert [m]
80
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 100 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7851 050.48.7712 050.48.7776
Länge 010.40.3547 010.40.3484 010.40.3520
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0060
Breite 050.48.7716
000.00.0002
Länge 010.40.3522
St.abweichung
000.00.0042
000.00.0021
mittl. Fehler
[m]
7,78
2,46
Max
Satellit
6
Min
Satellit
5
Samples
90
Abstand abs. [m]
11,11
∆ MW [m]
11,112
0,23
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7860
050.48.7840
050.48.7820
Messwerte
050.48.7800
050.48.7780
Mittelwert (MW)
050.48.7760
KFP
050.48.7740
050.48.7720
050.48.7700
010.40.3480 010.40.3500 010.40.3520 010.40.3540
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
16
20
12
14
8
9
10
6
7
4
5
2
3
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 100-Wert
81
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 101 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.6945 050.48.6868 050.48.6908
Länge 010.40.3365 010.40.3302 010.40.3331
KFP 101 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0000
Breite 050.48.6908
000.00.0029
Länge 010.40.3360
St.abweichung
000.00.0020
000.00.0016
mittl. Fehler
[m]
3,70
1,87
Max
Satellit
6
Min
Satellit
6
Samples
90
Abstand abs. [m]
3,39
∆ MW [m]
0,00
3,39
gemessene Positionen
050.48.6950
N-Breite (D.M.M)
050.48.6940
050.48.6930
050.48.6920
Messwerte
050.48.6910
Mittelwert (MW)
050.48.6900
KFP
050.48.6890
050.48.6880
050.48.6870
050.48.6860
010.40.3300
010.40.3320
010.40.3340
010.40.3360
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
16
14
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 101-Wert [m]
82
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 101 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.6954 050.48.6900 050.48.6920
Länge 010.40.3394 010.40.3335 010.40.3368
KFP 101 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0012
Breite 050.48.6908
000.00.0008
Länge 010.40.3360
St.abweichung
000.00.0013
000.00.0018
mittl. Fehler
[m]
2,41
2,11
Max
Satellit
5
Min
Satellit
4
Samples
90
Abstand abs. [m]
2,41
∆ MW [m]
2,22
0,94
050.48.6960
N-Breite (D.M.M)
050.48.6950
050.48.6940
Messwerte
050.48.6930
Mittelwert (MW)
050.48.6920
KFP
050.48.6910
050.48.6900
050.48.6890
010.40.3335
010.40.3355
010.40.3375
010.40.3395
Ö-Länge (D.M.M)
Messwert Breite
20
14
16
9
10
12
8
7
5
6
4
3
1
Messwert Länge
2
0,
18
52
Anzahl N
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 101-Wert
83
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 102 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7039 050.48.6948 050.48.6991
Länge 010.40.3544 010.40.3412 010.40.3470
KFP 102 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0033
Breite 050.48.6958
000.00.0016
Länge 010.40.3486
St.abweichung
000.00.0030
000.00.0041
mittl. Fehler
[m]
5,56
4,80
Max
Satellit
8
Min
Satellit
5
Samples
90
Abstand abs. [m]
6,39
∆ MW [m]
6,11
1,87
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7060
050.48.7040
050.48.7020
Messwerte
050.48.7000
Mittelwert (MW)
050.48.6980
KFP
050.48.6960
050.48.6940
010.40.3410 010.40.3450 010.40.3490 010.40.3530
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
14
16
9
10
12
8
7
5
6
4
3
1
Messwerte Länge
2
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 102-Wert
84
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 102 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert St.abweichung
000.00.0022
Breite 050.48.7024 050.48.6955 050.48.6984
000.00.0023
Länge 010.40.3513 010.40.3434 010.40.3466
KFP 102 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0026
Breite 050.48.6958
000.00.0020
Länge 010.40.3486
mittl. Fehler
[m]
4,07
2,69
Max
Satellit
6
Min
Satellit
3
Samples
92
Abstand abs. [m]
5,35
∆ MW [m]
4,82
2,34
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7030
050.48.7020
050.48.7010
050.48.7000
Messwerte
050.48.6990
Mittelwert (MW)
050.48.6980
KFP
050.48.6970
050.48.6960
050.48.6950
010.40.3430
010.40.3455
010.40.3480
010.40.3505
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
14
16
12
8
9
10
7
6
5
4
3
2
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 102-Wert
85
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 103 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.6840 050.48.6797 050.48.6814
Länge 010.40.3475 010.40.3380 010.40.3421
KFP 103 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0008
Breite 050.48.6822
000.00.0022
Länge 010.40.3443
St.abweichung
000.00.0010
000.00.0026
mittl. Fehler
[m]
1,85
3,04
Max
Satellit
8
Min
Satellit
6
Samples
90
Abstand abs. [m]
2,97
∆ MW [m]
1,48
2,57
N-Breite (D.M.M)
gemessene Positionen
050.48.6845
050.48.6840
050.48.6835
050.48.6830
050.48.6825
050.48.6820
050.48.6815
050.48.6810
050.48.6805
050.48.6800
050.48.6795
050.48.6790
Messwert
Mittelwert (MW)
KFP
010.40.3380
010.40.3410
010.40.3440
010.40.3470
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
16
14
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 103-Wert
86
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 103 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.49.3058 050.48.6800 050.48.7070
Länge 010.41.1739 010.40.3330 010.40.3846
KFP 103 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0248
Breite 050.48.6822
000.00.0403
Länge 010.40.3443
St.abweichung
000.00.1079
000.00.1663
mittl. Fehler
[m]
199,83
194,61
Max
Satellit
6
Abstand abs. [m]
65,83
∆ MW [m]
45,93
47,16
Min
Satellit
0
Samples
89*
*da 2 ungültige
Werte
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.49.4000
050.49.3000
050.49.2000
050.49.1000
Messwerte
050.49.0000
Mittelwert (MW)
050.48.9000
KFP
050.48.8000
050.48.7000
050.48.6000
010.40.3330 010.40.5630 010.40.7930 010.41.0230
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwert Breite
20
16
14
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
Messwert Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 103-Wert
87
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 104 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7742 050.48.7696 050.48.7718
Länge 010.40.3498 010.40.3436 010.40.3467
KFP 104 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0017
Breite 050.48.7735
000.00.0024
Länge 010.40.3443
St.abweichung
000.00.0011
000.00.0012
mittl. Fehler
[m]
2,04
1,40
Max
Satellit
6
Min
Satellit
6
Samples
91
Abstand abs. [m]
4,22
∆ MW [m]
3,15
2,81
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7750
050.48.7740
050.48.7730
Messwert
050.48.7720
Mittelwert (MW)
050.48.7710
KFP
050.48.7700
050.48.7690
010.40.342 010.40.344 010.40.346 010.40.348 010.40.350
0
0
0
0
0
Ö-Länge (D.M.M)
Messwerte Breite
20
14
16
9
10
12
8
6
7
5
4
3
2
1
Messwerte Länge
0,
18
52
Anzahl N
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 104-Wert
88
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 104 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7800 050.48.7779 050.48.7787
Länge 010.40.3508 010.40.3450 010.40.3478
KFP 104 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0052
Breite 050.48.7735
000.00.0035
Länge 010.40.3443
mittl. Fehler
[m]
1,48
2,46
St.abweichung
000.00.0008
000.00.0021
Max
Satellit
4
Min
Satellit
3
Samples
90
Abstand abs. [m]
10,47
∆ MW [m]
9,63
4,10
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7810
050.48.7800
050.48.7790
050.48.7780
Messwerte
050.48.7770
Mittelwert (MW)
050.48.7760
KFP
050.48.7750
050.48.7740
050.48.7730
010.40.3440
010.40.3460
010.40.3480
010.40.3500
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
14
16
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 104-Wert
89
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 105 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7684 050.48.7621 050.48.7654
Länge 010.40.3663 010.40.3492 010.40.3562
KFP 105 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0035
Breite 050.48.7619
000.00.0048
Länge 010.40.3514
St.abweichung
000.00.0017
000.00.0038
mittl. Fehler
[m]
3,15
4,45
Max
Satellit
8
Min
Satellit
6
Samples
90
Abstand abs. [m]
8,58
∆ MW [m]
6,48
5,62
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7690
050.48.7680
050.48.7670
050.48.7660
Messwerte
050.48.7650
Mittelwert (MW)
050.48.7640
KFP
050.48.7630
050.48.7620
050.48.7610
010.40.3490 010.40.3540 010.40.3590 010.40.3640
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
16
14
12
10
8
9
7
5
6
4
3
2
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 105-Wert
90
Kurzzeitmessung (90 sek) zum KFP 105 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert St.abweichung
000.00.0018
Breite 050.48.7692 050.48.7623 050.48.7660
000.00.0017
Länge 010.40.3583 010.40.3525 010.40.3549
KFP 105 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0041
Breite 050.48.7619
000.00.0035
Länge 010.40.3514
mittl. Fehler
[m]
3,33
1,99
Max
Satellit
7
Min
Satellit
3
Samples
90
Abstand abs. [m]
8,63
∆ MW [m]
7,59
4,10
N-Breite (D.M.M)
gemessene Positionen
050.48.7700
050.48.7690
050.48.7680
050.48.7670
050.48.7660
050.48.7650
050.48.7640
050.48.7630
050.48.7620
050.48.7610
Messwerte
Mittelwert (MW)
KFP
010.40.351 010.40.353 010.40.355 010.40.357 010.40.359
0
0
0
0
0
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
16
14
12
9
10
8
7
6
5
4
3
2
Messwerte Länge
1
0,
18
52
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Abstand zum KFP 105-Wert
91
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 100 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7788 050.48.7644 050.48.7717
Länge 010.40.3560 010.40.3496 010.40.3525
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0001
Breite 050.48.7716
000.00.0003
Länge 010.40.3522
mittl. Fehler
[m]
5,00
1,52
St.abweichung
000.00.0027
000.00.0013
Max
Satellit
10
Min
Satellit
6
Samples
720
Abstand abs. [m]
0,40
∆ MW [m]
0,19
0,35
gemessene Positionen
050.48.7760
050.48.7740
Messwerte
050.48.7720
Mittelwert (MW)
050.48.7700
KFP
050.48.7680
050.48.7660
050.48.7640
010.40.3495
010.40.3515
010.40.3535
010.40.3555
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
Messwerte Breite
400
Messwerte Länge
300
200
100
20
16
14
12
9
10
8
7
6
4
5
3
2
1
0
0,
18
52
N-Breite (D.M.M)
050.48.7780
Abstand zum KFP 100
92
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 100 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7883 050.48.7399 050.48.7707
Länge 010.40.3659 010.40.3270 010.40.3489
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0009
Breite 050.48.7716
000.00.0033
Länge 010.40.3522
St.abweichung
000.00.0061
000.00.0093
mittl. Fehler
[m]
11,30
10,88
Abstand abs. [m]
4,21
∆ MW [m]
1,67
3,86
Max
Satellit
7
Min
Satellit
0
Samples
649*
*da 71 ungültige
Werte
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
50.487.890
50.487.790
Messwerte
50.487.690
Mittelwert (MW)
KFP
50.487.590
50.487.490
50.487.390
10.403.270 10.403.360 10.403.450 10.403.540 10.403.630
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
600
500
400
Messwerte Breite
300
Messwerte Länge
200
100
0,
20
14
16
8
6
7
5
3
4
2
1
9
10
12
18
5
2
0
Abstand zum KFP 100
93
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 101 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7008 050.48.6807 050.48.6925
Länge 010.40.3403 010.40.3269 010.40.3359
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0017
Breite 050.48.6908
000.00.0001
Länge 010.40.3360
St.abweichung
000.00.0044
000.00.0018
mittl. Fehler
[m]
8,15
2,11
Max
Satellit
8
Min
Satellit
4
Samples
721
Abstand abs. [m]
3,15
∆ MW [m]
3,15
0,12
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7000
050.48.6950
Messwerte
050.48.6900
Mittelwert (MW)
KFP
050.48.6850
050.48.6800
010.40 010.40 010.40 010.40 010.40 010.40 010.40 010.40
.3260 .3280 .3300 .3320 .3340 .3360 .3380 .3400
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
400
Messwerte Breite
300
Messwerte Länge
200
100
0,
16
20
14
8
7
6
5
4
3
2
1
9
10
12
18
5
2
0
Abstand zum KFP 101
94
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 101 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7006 050.48.6918 050.48.6968
Länge 010.40.3420 010.40.3302 010.40.3364
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0060
Breite 050.48.6908
000.00.0004
Länge 010.40.3360
St.abweichung
000.00.0019
000.00.0026
mittl. Fehler
[m]
3,52
3,04
Max
Satellit
8
Min
Satellit
5
Samples
720
Abstand abs. [m]
11,12
∆ MW [m]
11,11
0,47
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7020
050.48.7000
050.48.6980
Messwerte
050.48.6960
Mittelwert (MW)
050.48.6940
KFP
050.48.6920
050.48.6900
010.40.3300
010.40.3340
010.40.3380
010.40.3420
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
Messwerte Breite
400
Messwerte Länge
300
200
100
0,
20
16
14
12
9
10
8
7
6
5
4
3
2
1
18
52
0
Abstand zum KFP 101
95
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 102 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7057 050.48.6920 050.48.6986
Länge 010.40.3539 010.40.3421 010.40.3481
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0028
Breite 050.48.6958
000.00.0005
Länge 010.40.3486
St.abweichung
000.00.0027
000.00.0024
mittl. Fehler
[m]
5,00
2,81
Max
Satellit
9
Min
Satellit
6
Samples
720
Abstand abs. [m]
5,22
∆ MW [m]
5,19
0,59
gemessene Positionen
050.48.7040
050.48.7020
Messwerte
050.48.7000
Mittelwert (MW)
050.48.6980
KFP
050.48.6960
050.48.6940
050.48.6920
010.40.3420
010.40.3460
010.40.3500
010.40.3540
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
400
Messwerte Breite
300
Messwerte Länge
200
100
20
14
16
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,
18
52
N-Breite (D.M.M)
050.48.7060
Abstand zum KFP 102
96
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 102 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7042 050.48.6925 050.48.6971
Länge 010.40.4008 010.40.3005 010.40.3539
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0013
Breite 050.48.6958
000.00.0053
Länge 010.40.3486
St.abweichung
000.00.0024
000.00.0241
mittl. Fehler
[m]
4,44
28,20
Max
Satellit
6
Abstand abs. [m]
6,65
∆ MW [m]
2,41
6,20
Min
Satellit
0
Samples
518*
*da 202
ungültige Werte
gemessene Positionen
050.48.7020
Messwerte
050.48.7000
Mittelwert (MW)
050.48.6980
KFP
050.48.6960
050.48.6940
050.48.6920
010.40.3000 010.40.3230 010.40.3460 010.40.3690 010.40.3920
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
500
400
Messwerte Breite
300
Messwerte Länge
200
100
20
16
14
9
10
12
8
7
6
5
4
3
2
1
85
2
0
0,
1
N-Breite (D.M.M)
050.48.7040
Abstand zum KFP 102
97
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 103 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.6948 050.48.6778 050.48.6868
Länge 010.40.3513 010.40.3226 010.40.3415
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0046
Breite 050.48.6822
000.00.0028
Länge 010.40.3443
mittl. Fehler
[m]
6,67
5,73
St.abweichung
000.00.0036
000.00.0049
Max
Satellit
9
Min
Satellit
4
Samples
721
Abstand abs. [m]
9,13
∆ MW [m]
8,52
3,28
gemessene Positionen
050.48.6950
N-Breite (D.M.M)
050.48.6930
050.48.6910
050.48.6890
Messwerte
050.48.6870
Mittelwert (MW)
050.48.6850
KFP
050.48.6830
050.48.6810
050.48.6790
050.48.6770
010.40.3220
010.40.3320
010.40.3420
010.40.3520
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
Messwerte Breite
400
Messwerte Länge
300
200
100
0,
20
16
14
12
9
10
8
7
6
5
4
3
2
1
18
52
0
Abstand zum KFP 103
98
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 103 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.6950 050.48.6711 050.48.6839
Länge 010.40.3503 010.40.3355 010.40.3421
KFP 100 ∆ MW (D.M.M)
000.00.0017
Breite 050.48.6822
000.00.0022
Länge 010.40.3443
St.abweichung
000.00.0041
000.00.0029
mittl. Fehler
[m]
7,59
3,39
Max
Satellit
8
Min
Satellit
3
Samples
720
Abstand abs. [m]
4,06
∆ MW [m]
3,15
2,57
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.6960
050.48.6910
Messwert
050.48.6860
Mittelwert (MW)
050.48.6810
KFP
050.48.6760
050.48.6710
010.40.3350
010.40.3400
010.40.3450
010.40.3500
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
Messwerte Breite
400
Messwerte Länge
300
200
100
20
16
14
9
10
12
8
7
5
6
4
3
2
1
0,
18
52
0
Abstand zum KFP 103
99
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 104 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7813 050.48.7664 050.48.7732
Länge 010.40.3557 010.40.3417 010.40.3476
KFP 100
∆ MW (D.M.M)
000.00.0003
Breite 050.48.7735
000.00.0033
Länge 010.40.3443
St.abweichung
000.00.0026
000.00.0019
mittl. Fehler
[m]
4,82
2,22
Max
Satellit
8
Min
Satellit
5
Samples
721
Abstand abs. [m]
3,90
∆ MW [m]
0,56
3,86
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7820
050.48.7800
050.48.7780
050.48.7760
Messwerte
050.48.7740
Mittelwert (MW)
050.48.7720
KFP
050.48.7700
050.48.7680
050.48.7660
010.40.3400
010.40.3450
010.40.3500
010.40.3550
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
Messwerte Breite
20
16
14
9
10
12
8
6
7
5
4
2
3
Messwerte Länge
1
0,
18
52
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Abstand zum KFP 104
100
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 104 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7833 050.48.7711 050.48.7768
Länge 010.40.3552 010.40.3427 010.40.3485
mittl. Fehler
[m]
5,00
3,04
Max
Satellit
7
Min
Satellit
4
Samples
722
Abstand abs. [m]
7,84
∆ MW [m]
6,11
4,91
gemessene Positionen
N-Breite (D.M.M)
050.48.7840
050.48.7820
050.48.7800
Messwerte
050.48.7780
Mittelwert (MW)
050.48.7760
KFP
050.48.7740
050.48.7720
050.48.7700
010.40.3400 010.40.3440 010.40.3480 010.40.3520 010.40.3560
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
400
Messwerte Breite
300
Messwerte Länge
200
100
20
16
14
12
9
10
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,
18
52
Breite
Länge
KFP 100
∆ MW (D.M.M)
050.48.7735
000.00.0033
010.40.3443
000.00.0042
St.abweichung
000.00.0027
000.00.0026
Abstand zum KFP 104
101
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 105 mit Falcom GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7718 050.48.7588 050.48.7645
Länge 010.40.3688 010.40.3417 010.40.3540
mittl. Fehler
[m]
5,74
4,10
Max
Satellit
9
Min
Satellit
5
Samples
722
Abstand abs. [m]
5,70
∆ MW [m]
4,82
3,04
gemessene Positionen
050.48.7720
050.48.7700
050.48.7680
Messwerte
050.48.7660
Mittelwert (MW)
050.48.7640
KFP
050.48.7620
050.48.7600
050.48.7580
010.40.3410 010.40.3480 010.40.3550 010.40.3620 010.40.3690
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
Messwerte Breite
400
Messwerte Länge
300
200
100
20
16
14
9
10
12
7
8
6
4
5
3
1
2
0
0,
18
52
N-Breite (D.M.M)
Breite
Länge
KFP 100
∆ MW (D.M.M)
050.48.7619
000.00.0026
010.40.3514
000.00.0026
St.abweichung
000.00.0031
000.00.0035
Abstand zum KFP 105
102
Langzeitmessung (12 min) zum KFP 105 mit Holux GPS-Receiver
Max
Min
Mittelwert
Breite 050.48.7834 050.48.7548 050.48.7648
Länge 010.40.3529 010.40.3366 010.40.3446
mittl. Fehler
[m]
11,30
2,22
Max
Satellit
4
Min
Satellit
2
Samples
720
Abstand abs. [m]
9,60
∆ MW [m]
5,37
7,96
gemessene Positionen
050.48.7800
050.48.7750
Messwert
050.48.7700
Mittelwert (MW)
050.48.7650
KFP
050.48.7600
050.48.7550
050.48.7500
010.40.3350 010.40.3400 010.40.3450 010.40.3500 010.40.3550
Ö-Länge (D.M.M)
Anzahl N
700
600
500
Messwerte Breite
400
Messwerte Länge
300
200
100
20
16
14
12
9
10
8
7
6
5
4
3
2
1
0
18
52
N-Breite (D.M.M)
050.48.7850
0,
Breite
Länge
KFP 100
∆ MW (D.M.M)
050.48.7619
000.00.0029
010.40.3514
000.00.0068
St.abweichung
000.00.0061
000.00.0040
Abstand zum KFP 105
103
Anhang B
E-Mail von der ESA wegen Anfrage zum Stand von EGNOS und der Funktionsweise.
Dear Mr Heerwagen,
thank you very much for contacting the ESTB Helpdesk . We kindly apologize for a
late reply which is due to the summer break.
Your question has been recorded as Call nr. 01055. Please note the following
information which we hope answers your questions.
If possible, we will appreciate to receive further communications in English.
1. Currently, the EGNOS satellite constellation which includes the ESA
satellite ARTEMIS ( PRN 124 or NMEA 37 ) , the satellite AOR-E (PRN120 or NMEA
33 ) and the satellite IOR-W (PRN126 or NMEA 39 ) has already been connected to
the EGNOS computing platform but currently being used for assembly , integration
and validation tests of the system . The signal currently broadcasted by the
EGNOS satellites is, in this phase , not stable and the signal data can be
processed only by professional receivers.
2. Yes, Please find attached the EGNOS Coverage Area ( in blue) and the EGNOS
GEOs footprint.
The EGNOS Satellites are located in Geostationary Orbit at the following
longitudes:
PRN 120 - 15.5 Deg. West
PRN 124 - 21.5 Deg East
PRN 126 - 25 Deg East
3. If the PRN number of the satellite that you are receiving the EGNOS Message
corresponds to an EGNOS satellite then you are receiving the EGNOS signal.
4. Please note that at present and until EGNOS becomes operational what is
available is the experimental signals broadcast by the ESTB ( the EGNOS System
Test Bed which is an experimental version of EGNOS). The signals are
broadcast through the satellite Inmarsat IOR ( PRN131 ) . Coverage of the
satellite IOR is available at
http://esamultimedia.esa.int/docs/egnos/estb/schedule.htm .
Due to the experimental nature of the ESTB , the signals are broadcast without
any guarantee of service as it is stated in the disclaimer available at:
http://esamultimedia.esa.int/docs/egnos/estb/esaEG/ESA7U98708D_estb_0.html For
internal testing it is therefore possible that some signal interruption may
occur without giving notice in advance .
5. It may happen in some cases that the ESTB provides worst performances than
GPS. This happens when the ESTB does not monitor all GPS visible satellites.
104
For further information on ESTB/EGNOS please do not hesitate to contact the ESTB
Helpdesk at ESTB@esa.int
Best Regards
ESTB Helpdesk
European Space Agency
ESTB@esa.int
105
Anhang C
E-Mail vom technischen Direktor des NMEA-Standards, Steve Spitzer, wegen einer Anfrage
zur Bestimmung und zur Angabe des COG im RMC-Datenprotokoll.
The NMEA 0183 Standard does not specify what algorithm GNSS receivers
use to determine the Course Over Ground (COG) or the Speed Over Ground
(SOG) information.
Some GNSS receiver manufacturers use delta position information to
calculate the COG and SOG values. These type of receivers often use
averaging and filters to smooth these results. Other manufacturers
determine SOG and COG algorithmically, such as from doppler/phase and
measurements. These receivers do not usually use filters, as the values
are more instantaneous and not dependent upon previous position
solutions.
The only way to know how the COG and SOG are being determined is to get
that information from the GNSS receiver manufacturer.
Good luck in your endeavors.
Regards
Steve Spitzer
Technical Director, NMEA
106
Anhang D
Im folgenden Bild D.1 ist eine Karte für Wanderwege von Georgenthal zur Wechmarer Hütte
abgebildet. Darin sind untersuchten Wege und die einzelnen Messpunkte farblich
gekennzeichnet. Die Messpunkte entlang der Versorgungsstraße (Weg 1) sind Schwarz
markiert, die entlang des Weges 2 (Bärenweg) Rot-Braun und die Messpunkte entlang des
Weges 3 (über Totenstein) Gelb.
Bild D.1: Wege mit Messpunkten
Im Folgenden erfolgt eine kurze Beschreibung der einzelnen Messpunkte der jeweiligen
Wege. Dadurch soll ein Auffinden der Messpunkte für nachfolgende Messungen ermöglicht
werden.
107
Weg 1: Eiscafe –Wechmarer Hütte via Versorgungsstraße
Messpunkt
Beschreibung
1
Holzgeländer an der linken Straßenseite am Abzweig Weg 1/Weg 2
(Bärenweg); GPS-Empfänger befand sich am rechten Geländerrand
Holzbank an der rechten Straßenseite am Abzweig zum Weg 3;
GPS-Empfänger befand sich am linken Bankende
Erste folgende Holzbank an der rechten Straßenseite; GPSEmpfänger befand sich am linken Bankende
Lichtung/ Wiese auf der linken Straßenseite vor dem Felsvorsprung
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Erster Wanderwegabzweig (in Karte eingezeichnet) nach dem
Felsvorsprung auf der linken Straßenseite
Holzhütte auf der rechten Straßenseite; GPS-Empfänger befand
sich am linken Bankende im inneren der Hütte
Wegkreuzung (in Karte eingezeichnet); GPS-Empfänger befand
sich auf der rechten Straßenseite neben dem dort befindlichen
Baum
Holzbank vor den „Stauteichen“ auf der rechten Straßenseite unter
Laubbaum; GPS-Empfänger befand sich am linken Bankende
Messpunkt außerhalb der markierten Wege im Unterholz – diente
der Untersuchung der Verfügbarkeit Abseits der Wege
GPS-Empfänger befand sich am rechten Ende der Sitzgelegenheit
Tabelle D.1: Beschreibung der Messpunkte auf dem Weg 1
Weg 2: Eiscafe –Wechmarer Hütte über Bärenweg
Messpunkt
Beschreibung
1
Holzgeländer an der linken Straßenseite am Abzweig Weg 1/Weg 2
(Bärenweg); GPS-Empfänger befand sich am rechten Geländerrand
Holzbank an der linken Straßenseite am Abzweig zum Wanderweg
„Schwimmbachtal“ unter Laubbaum; GPS-Empfänger befand sich
am rechten Bankende
Erste folgende Holzbank am linken Wegesrand; GPS-Empfänger
befand sich am rechten Bankende
Nächstfolgende Holzbank am linken Wegesrand; GPS-Empfänger
befand sich am rechten Bankende
Holzbank am rechten Wegesrand an der Wegkreuzung (in Karte
eingezeichnet); GPS-Empfänger befand sich am rechten Bankende
Wegabzweig (nicht in Karte eingezeichnet) nach links; GPSEmpfänger befand sich am linken Wegesrand
2
3
4
5
6
Tabelle D.2: Beschreibung der Messpunkte auf dem Weg 2
108
Weg 3: Eiscafe –Wechmarer Hütte über Totenstein
Messpunkt
Beschreibung
1
Holzgeländer an der linken Straßenseite am Abzweig Weg 1/Weg 2
(Bärenweg); GPS-Empfänger befand sich am rechten Geländerrand
Holzbank an der rechten Straßenseite am Abzweig zum Weg 3;
GPS-Empfänger befand sich am linken Bankende
Große Wegkreuzung ca. 2km nach Georgenthal (nicht in Karte
eingezeichnet); GPS-Empfänger befand sich am linken Wegesrand
zwischen den zwei abgehenden Wegen
Abzweig Wanderweg zur Bärenhöhle; GPS-Empfänger befand sich
vor dem Wegweiser am linken Wegesrand
Wiese vor dem Felsen „Totenstein“ am linken Wegesrand
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Keine genaue Angabe möglich; Messung erfolgte während der
Bewegung bis zum nächsten Messpunkt
Wegabzweig zur Wechmarer Hütte; GPS-Empfänger befand sich
links neben dem Wegweiser
KFP 103; GPS-Empfänger befand sich genau über der Markierung
des KFP
KFP 102; GPS-Empfänger befand sich genau über der Markierung
des KFP
Holzbank vor den „Stauteichen“ auf der rechten Straßenseite unter
Laubbaum; GPS-Empfänger befand sich am linken Bankende
(siehe Messpunkt 8 Weg 1)
Tabelle D.3: Beschreibung der Messpunkte auf dem Weg 3
109
Anhang E
Beigefügt sind die Daten vom Katasteramt Gotha.
Zusätzlich erfolgt die Angabe der Koordinatenwerte der einzelnen KFP im WGS84-System
im Format D.M.M, wie sie mit der Software Transdat berechnet wurden.
Einstellungen für die Umrechnung mittels der Software Transdat:
Gauß-Krüger Koord. (3 Grad breite Streifen); PD/83 (DE Land TH <±1m), Raubenberg,
Bessel ->
Geographische Koordinaten [Grad, Min]; WGS84 (Weltweit GPS), geozentrisch,WGS84
KFP
100
101
102
103
104
105
Y (Rechts) –Wert
004406547.95000
004406526.32000
004406541.19000
004406535.74000
004406538.78000
004406546.72000
X (Hoch) – Wert
005631664.43000
005631515.05000
005631523.96000
005631498.89000
005631668.12000
005631646.55000
-> Länge
001040.35220925
001040.33608299
001040.34860207
001040.34434683
001040.34434847
001040.35143559
Breite
005048.77164551
005048.69088948
005048.69583775
005048.68226709
005048.77354642
005048.76199260
Tabelle E.1: Umrechnung der Positionswerte der einzelnen KFP von Gauß-Krüger in
WGS84-Koordinaten
110
Anhang F
EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG
Hiermit erkläre ich, dass ich die Arbeit selbstständig durchgeführt und abgefasst habe. Von
mir benutzte Quellen, Literatur und Hilfsmittel sind als solche gekennzeichnet.
Könitz, den 30.12.2004
Michael Heerwagen
113
Anhang G
Diplomthesen
Die Genauigkeit, Verfügbarkeit und Stabilität von GPS hängt vom verwendeten Chipsatz ab.
EGNOS kann zur Verbesserung der Genauigkeit in den untersuchten Gebieten (noch) nicht
genutzt werden.
Mit GPS sind Genauigkeiten von 0,5 m bis 5 m zu erreichen.
Eine Beeinträchtigung des Empfangs und der Genauigkeit von GPS durch unterschiedliche
Wetterbedingungen wurde nicht beobachtet. Baumbewuchs und topografischen Begebenheiten wirken sich aber bei den verwendeten GPS-Empfängern anders aus.
Bei Messpunkten unter oder in direkter Nähe von Bäumen ergab sich bei windigen Wetterverhältnissen eine größere Streuung der Messwerte.
Im untersuchten Gebiet eignen sich besonders die Mobilfunknetze D1 und D2 für eine mögliche Datenübertragung. Das E-Plus-Netz ist nur bedingt zu empfehlen.
Eine exakte Richtungserkennung mit GPS ohne Zusatzsysteme ist nicht möglich. Dies ist nur
unter Verwendung eines Kompasses zu erreichen.
Durch eine Bestimmung der Bewegungsrichtung aus den Positionsdaten von GPS mit dem
vorgestellten Algorithmus können auftretende Fehler ausgeglichen werden.
Für das Projekt „TAS“ wird ein GPS-Empfänger empfohlen, welcher die XTrack-Software
verwendet.
114