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GPS / GNSS

Credo

There's a strong saturation of the GNSS receiver market worldwide both on the low and the top end: millions of cheap "toy" devices (almost all only as L1 C/A-code receivers) as well as a large selection of outrageously expensive devices with the well-known brands (mostly coming from the good old geodetic world). And it seems that there's no real variety for end users (e.g. farmers or similar land management professionals) looking for mid-range devices. That's the main reason for the primary objective to offer some low-cost hardware with special characteristics which enable several precision applications, e.g. Real Time Kinematic (RTK) or Precise Point Positioning (PPP). Of course this goal requires occasionally some compromises, for instance substantially shorter baselines for RTK (compared with dual-frequency receivers) resp. longer convergence times, and sometimes also a little bit more learning and practice - but there will be help ...
For design, assembly, manufacturing, integration and/or adaption, installation and launching of single components as well as full sets based on low-cost carrier phase receivers there's a close cooperation with OneTalent GNSS* already since 2011 ...

Technische Grundlagen

Homepage* von Jean-Marie Zogg, u.a. mit dem Standardwerk GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten* (10 MB PDF-Datei)

Einordnung der Techniken

Gelegentlich wird im Marketing verschiedener Anbieter der Eindruck erweckt, dass bereits allein die Verwendung einzelner "Kürzel" (z.B. DGPS, EGNOS, RTK) ein bestimmtes Genauigkeits- und/oder Verfügbarkeitsniveau zuverlässig gewährleistet. Dabei wird u.U. noch nicht einmal zwischen absoluter (reproduzierbarer) und relativer Genauigkeit unterschieden. Da jedoch die erreichbare Positionsgenauigkeit für die meisten Anwender von primärer Bedeutung ist, sollen hier zunächst die wichtigsten Fehlerquellen kurz vorgestellt werden:

Mehrwegempfang ("Multipath") je nach Einsatzumgebung/-bedingungen, z.T. antennenseitig vermeidbar
Atmosphärische Signallaufzeitfehler, die durch verschiedene Korrektursignale ausgeglichen werden können

Welche Techniken bzw. Maßnahmen verfügbar oder gar erforderlich sind, um die o.g. Fehler zumindest teilweise verringern bzw. kompensieren zu können, wird nachfolgend aufgelistet:

Nutzung von Trägerphasen-Messungen bei L1-Einfrequenz-Empfängern: Während die einfachsten GPS-Empfänger nur den sogenannten C/A-Code zur Positionsbestimmung verwenden und damit prinzipbedingt lediglich in einem autonomen Genauigkeitsbereich von mehreren Metern liegen, kann mit den Trägerphasen-Messungen die Genauigkeit schon bis in den Submeterbereich gesteigert werden (siehe z.B. hier* oder hier*). Auf der Einbeziehung von Trägerphasen-Messungen beruht auch das Verfahren des Precise Point Positioning (PPP) von einigen der hier angebotenen Empfänger.
Antenne: neben dem Messzeitpunkt, der u.a. mittels Planungssoftware ggfs. noch optimiert werden kann (siehe z.B. hier*), sowohl einer der wichtigsten als auch der meistunterschätzten Einflussfaktoren auf die Empfangsgenauigkeit. Für höchste Anforderungen (z.B. bei RTK-Basisstationen) werden daher häufig "Choke-Ring"-Antennen verwendet, im mobilen Feldeinsatz sind jedoch zumeist etwas kleinere Bauformen mit anderen Techniken gegen Mehrwegempfang, beispielsweise in den "Pinwheel"-Antennen von NovAtel. Wichtig ist zudem auch eine empfangsbegünstigende Lage der Antenne, möglichst hoch und frei von (vermeidbaren) Abschattungen, also z.B. oben auf dem Schlepperdach oder bei der Vermessung auf einem Stativ bzw. einer Haltestange. Nicht zuletzt ist auch darauf zu achten, die Messung nicht bei zusätzlichen Signalreflexionen (z.B. durch Niederschlag als Regen oder gar Schnee) durchzuführen, sofern der Messzeitpunkt nicht zwingend vorgegeben ist. Vermessungsarbeiten in der Landwirtschaft sollten daher auch eher dann stattfinden, wenn die umliegenden Flächen trocken sind, bzw. bei nassen Flächen möglichst mit höherwertigen Antennen und unter Ausschluss tiefstehender Satelliten durchgeführt werden. Die Verwendung einer nach unten abschirmenden Grundplatte (z.B. einer Stahlronde, auf der eine Antenne mit Magnetfuß auch sehr unkompliziert anzubringen ist) kann die "Multipath"-Effekte zumindest teilweise verringern und empfiehlt sich daher (v.a. beim Einsatz von preisgünstigen Antennen) grundsätzlich.
Korrektur- bzw. Referenzsignale: eine Vielzahl von Datenquellen und -übertragungswegen ist hierfür möglich. Allgemein gilt jedoch immer der Grundsatz, dass die jeweils verwendete Basis- bzw. Referenzstation (ob nun vom Anwender bzw. Dienstleister selbst oder vom Signalanbieter betrieben) erstens so nah wie möglich zur Messstelle (Basislinie) und zweitens so hochwertig (z.B. Antennentyp, Lage der Antenne) wie möglich sein sollte. Diverse kommerzielle Anbieter interpolieren aus den Daten von echten Referenzstationen daher auch virtuelle Stationen in der (scheinbaren) Nähe des Anwenders. Das kostenfreie EGNOS-Signal ist aufgrund der horizontnahen Position dieser zusätzlichen Satelliten hierzulande häufig nicht hinreichend zuverlässig für einen stabilen DGPS-Fix verfügbar, daher ist der (ebenfalls kostenfrei verwendbare) sogenannte Küstenfunk (IALA)* im gesamten Bundesgebiet durchaus noch immer eine wichtige Alternative für erreichbare Genauigkeiten bis in den Submeterbereich. Unter Zuhilfenahme zusätzlicher Trägerphasen-Messungen zur Glättung der Pseudoranges kann beim sogenannten Precise Point Positioning (PPP) jedoch auch allein mit den Ionosphären-Korrekturen der kostenfrei verwendbaren Satellitensignale (EGNOS und/oder GPS) bereits eine Genauigkeit im Submeterbereich erlangt werden, was nicht nur deutlich besser ist als bei herkömmlichen EGNOS-Empfängern, sondern auch die Abhängigkeit von diesem Korrektursignal verringert, das hierzulande an vielen Standorten nicht hinreichend zuverlässig empfangen werden kann. Sofern der verwendete GPS-Empfänger auch die Rohdatenausgabe ermöglicht, kann mit dem sogenannten Postprocessing der aufgezeichneten Rohdaten eine Genauigkeit im Dezimeter- bis sogar im Zentimeterbereich erreicht werden. Eine Genauigkeit im Bereich von nur wenigen Zentimetern ist mit dem parallelen Einsatz von zwei rohdatenfähigen Empfängern auch in Echtzeit realisierbar, wenn ein Empfänger dabei als Basisstation dient (statische Messung auf exakt bekannter Position) und zwischen beiden Empfängern eine Datenverbindung besteht (z.B. über Mobilfunk oder eine 868-MHz-Funkstrecke).
Zweifrequenz-Empfänger: die Verwendung von Geräten zum gleichzeitigen Empfang des L1- und L2-Signals der GPS-Satelliten erhöht die Genauigkeit und Stabilität der gemessenen Position in hohem Maße. Allerdings sind diese Empfänger sowie die entsprechend mehrfrequenzfähigen Antennen auch deutlich oder sogar drastisch teurer. Im Gegensatz dazu erhöht die (Mit-)Verwendung der russischen GLONASS-Satelliten zumeist nicht unmittelbar die Genauigkeit. Durch die höhere Anzahl an nutzbaren Satelliten kann bei gleichzeitiger Verwendung von GPS und GLONASS jedoch in Extremsituationen (z.B. bei sehr starker Abschattung der Messstelle) ein Abriss der Positionsbestimmung (des sogenannten Fixes) zuverlässiger vermieden werden.

Weitere Verweise auf externe Quellen

Tomoji Takasu (Entwickler der RTKLIB), Akio Yasuda: "Evaluation of RTK-GPS Performance with Low-cost Single-frequency GPS Receivers*" (1,9 MB PDF-Datei)
Josua Stähli, Stefan Keller (2013): "Präzise Positionsbestimmung mit Low-Cost-GPS und Postprocessing*" (Technical Report Nr. 1301. Geometa Lab des Instituts für Software an der HSR Hochschule für Technik, Rapperswil (Schweiz), Fachhochschule Ostschweiz. Februar 2013. 29 Seiten. Lizenz CC-BY-SA 2.0)
Heßelbarth, Anja: "GNSS-Auswertung mittels Precise Point Positioning (PPP)*", Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, 134. Jg., Heft 5/2009, S. 278-286 (1,5 MB PDF-Datei)
Untersuchungsergebnisse* zur Eignung eines rohdatenfähigen GPS-Moduls von u-blox für ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen an der Technischen Universität Dresden (0,7 MB PDF-Datei)
Untersuchungsergebnisse* zur Eignung eines rohdatenfähigen GPS-Moduls von u-blox für die kinematische Positionierung eines Rennwagens an der Universität Stuttgart (3,9 MB PDF-Datei)
Zusammenfassung der Ergebnisse* einer Untersuchung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin zum Thema "Low-cost GNSS für statische und kinematische Messaufgaben" (1,4 MB PDF-Datei)
Entwicklung und Bau eines kostengünstigen Einfrequenz-GNSS-Positionierungssystems*
High-Precision GNSS Positioning* - Erläuterungen von Lambert Wanninger (TU Dresden, Geodätisches Institut) zu den Grundlagen präziser Positionsbestimmungen aus Trägerphasenmessungen (0,8 MB PDF-Datei)
Untersuchungen zur preisgünstigen geodätischen Ein-Frequenz-GNSS-Positionsbestimmung im Precise Point Positioning-Verfahren*
Vergleich von zwei Einfrequenz-GNSS-Empfängern für geodätische Anwendungen*
GNSS-Positionsbestimmung im Einfrequenz-PPP-Verfahren mit dem u-blox NEO 6P*