DE:Genauigkeit von GPS-Daten

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Fehlerbild
siehe Hauptartikel GPS-Gerät

Geschichte

Früher wurden die Satellitensignale künstlich verzerrt, damit die Daten von feindlichen Armeen nicht militärisch genutzt werden konnten. Der Fehler lag bei etwa 100 bis 300 m. Das war aber beispielsweise für die Schifffahrt immer noch ein grosser Fortschritt, denn mit dem Sextant bestimmte Positionen hatten einen Fehler von mehr als einer Seemeile (1852 m).

Die künstliche Signalverzerrung wurde am 1.5.2000 abgeschaltet.

Jetzt liegt die Genauigkeit bei etwa 10..20 m.

Grundlagen

ConstellationGPS.gif
3 Satelliten reichen nicht

Zur Bestimmung einer 2-dimensionalen Position (LAT/LON) sind die Daten von 4 Satelliten erforderlich.

Zur Bestimmung einer 3-dimensionalen Position (LAT/LON/ALT) sind die Daten von 5 Satelliten erforderlich.

Position Daten erforderlich
2-dimensional LAT, LON 3 Satelliten
3-dimensional LAT, LON, ALT 4 Satelliten

Beim heutigen System sind von jedem Standort aus meistens 4 bis 12 Satelliten gleichzeitig sichtbar. Mit den Messungen aller Satelliten werden entweder über eine Least-Squares-Iteration oder in einem Kalmanfilter die Position sowie die genaue Zeit berechnet.

Geometrie

grosses Volumen

Ausschlaggebend für die mögliche Genauigkeit ist die Geometrie, in der die Satelliten relativ zueinander stehen. Diese kann aber nicht beeinflusst werden, beziehungsweise nur durch Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten. Ideal ist, wenn vier Satelliten sichtbar sind, die in den vier Himmelsrichtungen möglichst weit auseinanderstehen, aber dennoch mindesten 10° über dem Horizont. Die Winkel der Verbindungslinien zwischen dem zu vermessenden Punkt und den Positionen der Satelliten müssen möglichst groß sein. Sind die Winkel zu klein, ist eine exakte Positionsbestimmung nicht möglich. Ideal ist, wenn die Pyramide mit dem Beobachtungsort als Spitze ein möglichst grosses Volumen hat.

Idealerer Schnitt
Schlechte Satelliten-Position
= schlechter GDOP-Wert
Gute Satelliten-Position
= guter GDOP-Wert

Wenn ein für die Geometrie wichiger Satellit von einem Fehler durch Abschattung, Dämpfung, Refraktion oder Reflexion betroffen ist, leidet die Genauigkeit stärker, als wenn ein eher nebensächlicher Satellit betroffen ist.

Abschattung

Fehler durch Dämpfung/Abschattung in Wald

Abschattung bedeutet, dass keine Sichtverbindung zu einem Satelliten besteht. Besonders häufig in Häuserschluchten, im Tal, an Bergflanken, "hinter" einem Haus. Und natürlich im Auto unter dem Autodach, oder hinter einer metall-bedampften Windschutzscheibe. Abschattung entsteht auch wenn man sich über den Fahrradlenker beugt, auf dem ein GPS-Empfänger befestigt ist. Oder hinter dem Körper, wenn der Empfänger in der Hand direkt vor dem Körper getragen wird. Ein dichter oder schneebedeckter Wald kann ebenfalls zu völliger Abschattung führen. Das Bild zeigt anschaulich den durch Abschattung/Däpfung in einem Wald entstehenden Fehler.

Je höher die Antenne befestigt ist, desto besser ist der Empfang. Gute Positionen sind auf dem Schulterriemen oder der Deckeltasche eines Rucksackes, auf dem Schirm einer Baseball-Mütze, auf einem Skistock der senkrecht aus dem Rucksack ragt, oder eine Fenster- oder Dachantenne auf dem Auto (Magnethalterung).

Refraktion

Elevations-Winkel
Beugung

In der Ionosphäre und in der Troposphäre werden die Radiowellen gebeugt. Diese Beugung ist nicht konstant sondern hängt von der aktuellen "Wetter"-Lage in der Ionosphäre ab. Gleichzeitig werden die Signale gedämpft. Durch die variable Dämpfung in der Ionosphäre entstehen längere Laufzeiten, die zu Berechnungsfehlern führen.

Das Signal eines hoch stehenden Satelliten quert die Ionosphäre fast senkrecht. Bei einem niedrig über dem Horizont stehenden Satelliten muss das Signal eine längeren Weg durch die Ionosphäre machen und benötigt durch die Dämpfung und Refraktion dafür mehr Zeit. Dieser Zeitunterschied erzeugt einen zusätzlichen Fehler.

Solche Laufzeitunterschiede können durch DGPS/WAAS/EGNOS mittels Information über Korrekturwerte ermittelt und berichtigt werden. Professionelle Geräte arbeiten mit Zweikanalübertragung auf unterschiedlichen Frequenzen, damit die Laufzeitunterschiede direkt berechnet werden können. Solche Geräte kosten aber mehrere tausend Euro.

Dämpfung

Dämpfung

Dämpfung der Signale entsteht ausser in der Ionosphäre und der Atmosphäre, auch unter Bäumen (Wald), unter Wolken, aber auch durch Kleidung wenn das Gerät in der Tasche getragen wird. Dadurch sind die ohnehin sehr schwachen Signale zusätzlich geschwächt, so dass sie oft im Rauschen untergehen und nicht mehr ausgewertet werden können oder führen zu Fehlberechnunngen. Ungenügender Satelliten-Empfang wird von einigen Geräten angezeigt.

In Jahren hoher Sonnenaktivität nimmt die Dämpfung in der Ionosphäre zu (neuer Zyklus ab 2011).

Reflexion

Reflexion

Reflektionen an Hauswänden, Bergflanken, Tälern, Wasserflächen, Schnee- und Eisflächen erzeugen mehrfache Signale, die mit Laufzeitunterschieden beim Empfänger ankommen. Dadurch entstehen Fehlberechnungen und die sogenannten "Ausreisser", einzelne Positionspunkte, die deutlich neben der eigentlichen Position liegen.

Genauigkeit von Consumergeräten

Die durchschnittliche Genauigkeit beträgt bei Consumergeräten etwa +- 15 m (bei "normalen" Bedingungen).

Bei guten Empfangsbedingungen (Hausdach):

Anzahl Messpunkte Genauigkeit
LAT/LON
Genauigkeit
Höhe
99 % ca. +- 5 m ca. +- 8 m
95 % ca. +- 4 m ca. +- 6 m
50 % ca. +- 2 m ca. +- 2 m

Details siehe Grafik der täglichen Positionsgenauigkeit, auch Archiv

Darüber hinausgehende Fehler kommen durch ungünstige Empfangsbedingungen und Empfangsstörungen zustande.

Verbesserung durch WAAS, EGNOS, MSAS

SBAS Service Areas 2009.png

Stationäre Bodenstationen werten die Satellitensignale auf Fehler aus (Satellitenumlaufbahnen, Uhrendrift der Satelliten, Signalverzögerungen durch Ionosphäre und Troposphäre), und senden Korrekturinformationen über geostationäre Satelliten zum GPS-Empfänger (SBAS). Die meisten Consumergeräte können diese Signale auswerten.

Voraussetzung ist der Sichtkontakt zu einem dieser Satelliten. In Europa steht der EGNOS-Satellit sehr niedrig in südlicher Richtung. Je weiter nördlich man sich befindet, desto ungünstiger (kleiner) wird der Winkel über dem Horizont und der Satellit ist dadurch Abschattung nicht oder intermittierend empfangbar bzw. das Signal ist durch Reflexion stark gestört.

System wo Bemerkungen
WAAS USA
EGNOS Europa ~2m Genauigkeit in DE (bei freier Sicht nach Süden)
MSAS Japan
GAGAS Indien

Diese Korrektursysteme können nur Fehler aus Ionosphären-Laufzeitfehlern herausrechnen, nicht jedoch die durch Dämpfung, Abschattung oder Reflexion.

Für den Anwender ist oft nicht ersichtlich, ob:

die EGNOS Korrektur eingeschaltet ist
der EGNOS-Satellit an der aktuellen Position empfangbar ist
der verbaute Chip das Signal empfangen kann
die verwendete Firmware das Signal verarbeiten kann
das Ergebnis besser (oder schlechter!) ist

Meist fehlen Angaben über den im Gerät verbauten Chip bzw dessen Version und deren Eigenschaften, und über die Eigenschaften der in einer Geräteserie verwendeten Firmware bzw deren Version. Aber nur wenn sowohl Chip als auch Firmware mit dem EGNOS-Korrektursignal umgehen können, kann auch die Lagegenauigkeit verbessert werden. Es kann also durchaussein, dass dass zwar "EGNOS" draufsteht, aber nicht drin ist :-( und das vermeintlich bessere Ergebnis in Wirklichkeit sogar schlechter ist.

Dynamische Verbesserung durch DGPS

Mit DGPS ist eine durchschnittliche Genauigkeit von 5 bis unter 1 m erreichbar.

Dazu wird zeitgleich ein Referenzsignal von einem zweiten stationären Empfänger ausgewertet.

Die Wasser- und Schiffahrtsämter haben in Deutschland ein fast flächendeckendes Netz von DGPS-Stationen, deren Signale über Langwelle (283,5 - 325,0 kHz) frei empfangbar ist. Der Empfang ist mit jedem Langwellenradio möglich, die Auswertung erfordert aber ein GPS-Gerät mit NMEA-Eingang (zweite NMEA-Schnittstelle) und entsprechender Auswertungssoftware. Normale Consumergeräte verfügen über diese Möglichkeit nicht.

SAPOS-DGPS-Signale können auch über GSM oder UMTS empfangen oder aus dem Internet heruntergeladen werden. Dazu ist ein entsprechender Vertrag erforderlich. Der Dienst ist kostenpflichtig (ca. 150 €/Jahr, oder 10 €/Monat plus 10 Ct/Minute).

Derzeit ist keine Software bekannt, die OpenStreetMap benutzt, und außerdem diese DGPS-Signale zur Genauigkeitssteigerung benutzt. Außerdem ist keine Software (z.B. für PDA) bekannt, die Tracks mittels erhöhter DGPS-Genauigkeit aufzeichnet.

Wer eine schreiben will, Betreuung bietet an User: --Lulu-Ann (talk) 13:58, 16 May 2013 (UTC)

Postprocessing

Professionelle Geräte können die Rohdaten der einzelnen Satelliten aufzeichnen. Daraus und aus den Korrekturdaten für den Messzeitpunkt kann durch Postprocessing auch im Nachhinein eine hohe Genauigkeit im cm-Bereich berechnet werden.

Nachträgliche Korrektur durch EGNOS

Da in Europa die EGNOS-Satelliten sehr niedrig am Horizont stehen und oft schlecht empfangbar sind, wird das Korrektursignal SISNeT auch per FTP kostenlos über das Internet verteilt. Damit können Positionsdaten auch nachträglich verbessert werden (EGNOS-Postprocessing). Voraussetzung dafür ist, dass das Gerät Rohdaten im RINEX-Format aufzeichnet und augeben kann. Die kann z.B. mit einigen µBlox- oder Skytraq-Empfängern sowie der Software rtklib erreicht werden.

Nachträgliche Korrektur durch DGPS

Es sollte möglich sein, seine Tracks nachträglich mittels DGPS zu korrigieren.

Dazu muß man in der Nähe (ca. 20 km Radius) der Trackaufzeichnung ein GPS Gerät ortsgenau positionieren und gleichzeitig aufzeichnen lassen.

Die Drift des ortsfesten Empfängers sollte dann etwa den gleichen ionosphärischen Störungen unterliegen wie die des beweglichen Empfängers. Diese Ionosphären-Fehler könnte man so herausrechnen, man müsste die Signale nur voneinander subtrahieren.

Hat das schonmal jemand versucht? Würde jemand mitmachen bei einem Versuchsaufbau? Lulu-Ann Ja, siehe http://www.rtklib.com/ --ThyMythos 19:23, 15 March 2012 (UTC)

Nachträgliche Korrektur durch Ntrip

Mit Ntrip ist eine Genauigkeit von 10 cm möglich.

Voraussetzung
GPS-Gerät mit Rohdatenausgabe (1)
entsprechende SW, z.B. RTKLIB, (OpenSource)
Korrekturdaten (2)

Das funktioniert auch mit Ein-Frequenz (sprich Consumer) GPS-Chips. Geeignet zum genauen Einmessen von Passpunkten, etc.

(1): Geräte mit Rohdatenausgabe gibt es nicht bei Grossserienherstellern. Andere Geräte werden nur in kleinen Stückzahlen hergestellt und sind entsprechend teuer (3000 €). Es gibt aber preiswerte GPS-Chips, z.B. neo-6p von u-blox, mit denen ein GPS mit Rohdatenausgabe leicht selbst gebaut werden kann (100 €).

(2): die Dienste kosten Geld

Genauigkeit von Profi-Geräten

Mit professionellen Geräten ist eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern bis einige Millimeter erreichbar. Solche Geräte kosten aber mehrere tausend Euro. Auch die Nutzung der Korrektursignale sind kostenpflichtig. Jeder Vermesser (Gemeinde, Baufirma, Architekt) arbeitet mit solchen Geräten. Von ihnen kann man meist problemlos genaue Referenzpunkte bekommen, beispielsweise für eine Kreuzung oder so - und daran dann Tracks, Luftbilder und OSM-Daten ausrichten :-)

Siehe auch