DE:Genauigkeit von GPS-Gerät prüfen

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Genauigkeit und Integrität

  • Genauigkeit bedeutet die Abweichung von Messdaten von den realen Gegebenheiten. Beim GPS-Gerät also die Abweichung der auf dem Gerät angezeigten Koordinate von der "richtigen" Koordinate. Vorausgesetzt ist, dass beide Koordinaten im selben System erfasst sind (bei OSM in WGS-84), bzw. wenn der Vergleichswert aus einem anderen System stammt, die Koordinate möglichst fehlerfrei umgerechnet ist.
  • Verfügbarkeit bedeutet, dass die Daten über einen bestimmten Zeitraum vollständig und unverändert beim Empfänger ankommen.
  • Zuverlässigkeit ist eine Prozentzahl, die angibt, wie lange von einem System erwartet werden kann, dass es die beabsichtigte Funktion mit der erforderlichen Genauigkeit ausführt.
  • Integrität ist die Fähigkeit eines Systems, den Nutzer rechtzeitig zu informieren, wenn es nicht benutzt werden sollte (falsche oder fehlende Messwerte).

Genauigkeit der Daten

Fehlerbild

Die Genauigkeit hängt ab von:

Qualität der Satelliten
Störungen bei der Übertragung bis zum Empfang
Eigenschaften der Empfangsgeräte (Hard- und Software)

Die Genauigkeit des Gerätes hängt ab von:

Qualität des GPS-Chip
Qualität der elektrischen Signalverarbeitung
Qualität der Software

Bei Consumer-Geräten gibt der Hersteller meist keine Information über die verwendete Hard- und Software. Angaben über Signalkorrekturen ("WAAS" etc) sind vielfach unbestimmt bis irreführend. Auch die bei einigen Geräten im Display angezeigte "Genauigkeit" ist nicht definiert und deshalb eher unbrauchbar.

Gerät selber testen

Referenzpunkt

Dazu brauchst Du einen genau bekannten Referenzpunkt auf freiem Feld. Wenn Du Glück hast, gibt es in Deiner Gegend einen Vermessungspunkt mit rundum freier Sicht zum Himmel, und Du bekommst die genauen Koordinaten. Oder Du fragst auf einer Baustelle den Vermessungsingenieur, ob er Dir einen Vermessungspunkt mit rundum freier Sicht zum Himmel bestimmen kann, beispielsweise an einer Landstrasse oder auf einem Feldweg (macht er meist gern). Dann kannst Du das Gerät einfach diesen Punkt mehrfach messen lassen und das gemittelte Ergebnis mit der amtlichen Koordinate vergleichen.

Referenzpunkt messen

Eine einmalige Messung von einem Punkt durch ein Consumer-GPS-Gerät ist ungenau. Die Abweichungen betragen bis mehrere Dutzend Meter. Durch Mehrfachmessungen (Punkte-Wolken) und EGNOS sind Verbesserungen möglich. Die besten Ergebnisse werden durch Differential-GPS-Geräte erzielt, die aber wesentlich teurer sind.

Genaue Referenzpunkte können auch mit Langzeitmessungen erstellt werden. Dazu brauchst Du einen eindeutig bestimmbaren Punkt auf freiem Feld mit freier Sicht zum Himmel: Flaches Feld für Referenzmessung.jpg

Der Horizont soll niedriger als 10..20° sein, vor allem nach Süden frei, damit die dort niedrig stehenden EGNOS-Satelliten sichtbar sind.

Satellit PRN ID Position Richtung rechtweisend Elev. in DE Bemerkung
Inmarsat AOR-E 120 33 Atlantik 15,5° W 195,5° 25..30°
ARTEMIS 124 37 Afrika 21,5° E 158,5°
Inmarsat IOR-W 126 39 Afrika 25,0° E 155° zurzeit Testsystem
Sirius 5 5,0° E 175° ab Ende 2011

Einfache Methode

Wenn Dein Gerät einen Modus hat, in dem es nur alle Minuten einen Punkt speichert (manche Geräte machen das automatisch, wenn sie nicht bewegt werden), dann kannst Du das Gerät einfach auf den Referenzpunkt legen, und es nach 10 Stunden oder so wieder abholen (solange die Batterie halt läuft). Und aus dem Logfile berechnest Du den Mittelwert. So hast Du alle Satelliten- und Wetter-Anomalien ausgemittelt und bekommst (auf freiem Feld) eine submetergenaue Position.

Komplizierte Methode

Wenn Dein Gerät keinen Minuten-Modus hat, kannst Du ein ähnlich genaues Ergebnis bekommen, indem Du mehrere Punkte zu mehreren Zeiten misst und dann den Durchschnitt berechnest.

Markiere auf freier Fläche (oder einem Plan davon) ein paar Punkte, die ein paar Dutzend Meter auseinander liegen und jederzeit zweifelsfrei wieder aufgefunden werden können. Geeignete "Kalibrierungsgebiete" sind: Großparkplatz mit Gullideckeln, Strand an der dänischen Nordseeküste mit Bunkerresten, Sportplatz mit festen Markierungen, z.B. Tennis, oder Ecke Sprunggrube, etc.

Messe die Entfernungen zwischen allen Punkten (Dreiecke) mit einem Messband oder Laserdistanzmesser.

Messung mit GPS

Bestimme mit deinem GPS die Positionen dieser Punkte: Fixiere das Gerät bewegungslos für mindestens 1 Minute auf jedem Punkt. Wiederhole die Messung 10 mal im Abstand von mindestens je 90 Minuten, um eine andere Satellitenkonstellation und möglichst auch andere atmosphärische Bedingungen zu haben. Für einen solchen Versuch braucht man also 15 Stunden.

Bilde das Mittel jeder Punktewolke:

Summe LAT / Anzahl Punkte in der Punktewolke = LAT[Mittel]
Summe LON / Anzahl Punkte in der Punktewolke = LON[Mittel]

Einige GPS-Geräte haben dazu eine entsprechende Funktion eingebaut. Alternativ: Log in Tabellenkalkulation speichern und automatisch rechnen lassen.

Wenn du es ganz genau wissen willst, machst du insgesamt 20 Messungen auf jeweils nur der Hälfte der Punkte. Das schließt einen möglichen regelmäßigen Fehler aus, bei dem durch längerfristige atmosphärische Störungen, alle Messwerte in dieselbe Richtung verschoben werden könnten.

Korrektur der Messwerte
Zu Beginn einer Messung, und manchmal auch am Ende, zeichnet das Gerät "falsche" Punkte auf (beispielsweise Rest-Bewegungen, Einschaltfehler, Satelliten-Such-Fehler). Diese kann man mit einem Statistik-Programm und/oder grafischer Anzeige zut feststellen. Solche systematische Fehler können dann aus der Messreihe entfernt werden.
Berechnung
  1. Berechne die Entfernungen aus Koordinatendifferenzen zwische je zwei Referenzpunkten (oder greife sie in einem Editor ab).
  2. Bestimme die Differenz zwischen gemessener und berechneter Entfernung
  3. Berechne die mittlere Differenz: zähle alle Differenzen zusammen und teile sie durch ihre Anzahl.

Das Ergebnis ist ein Mass für die maximale Gesamt-Genauigkeit von Gerät und Umwelteinflüssen unter guten Bedingungen. Wenn sich die Umwelteinflüsse verschlechtern wird die Genauigkeit ebenfalls schlechter. Siehe Genauigkeit von GPS-Daten 10 mal je eine Minute im Abstand von 90 Minuten. Berechne den Durchschnitt der Punktewolke.

Du kannst auch mehrere Punkte messen, und das Mittel jeder Punktewolke nochmal zu einem neuen noch genaueren Referenzpunkt mitteln:

Summe LAT[Mittel] / Anzahl Beobachtungen = LAT[Gesamt]
Summe LON[Mittel] / Anzahl Beobachtungen = LON[Gesamt]

Referenzpunkte für Luftbilder

Um die Georeferenzierung von Lufbildern zu prüfen, bzw. um nicht genau georeferenzierte Luftbilder in JOSM richtig zu verschieben, benötigst Du genau vermessene Referenzpunkte im Gelände. Voraussetzung: der Punkt muss auf dem Luftbild genau zu erkennen sein.

Referenzpunkt von Dritten

Ideal sind Vermessungspunkte. Du bekommst sie auf der Gemeindeverwaltung, vom Bauamt, vom Vermessungsamt, und von jedem Vermesser vor Ort beim Strassenbau oder auf einer Baustelle (einfach fragen). Solche Punkte sind zentimetergenau. Du brauchst die Koordinate in WGS-84 (oder musst sie umrechnen) und die Höhe ebenfalls in WGS-84 (hier ist die Umrechnung komplizierter).

Referenzpunkt selbst bestimmen

Um Satellitenbilder genau zu positionieren, kannst Du Referenzpunkte auch selber vermessen. Suche dazu im Gelände Punkte, die

a) möglichst freie Sicht zum Himmel haben
b) im Luftbild deutlich erkennbar sind

Miss diesen Punkt mit dem GPS-Gerät wie oben beschrieben.

Gut geeignet sind Schachtdeckel, Fahrbahnmarkierungen, Verkehrsinseln, da im Luftbild gut zu erkennen.

Vermessungspunkte in OSM

Lade den Passpunkt mit einem Editor in die OSM-DB hoch und bezeichne ihn mit:

man_made=survey_point
survey=ground_control_point
source=*
          survey           (für normale GPS-Geräte)
          egnos            (für EGNOS-korrigierte Signale)
          on_top           (für erhöhte Empfänger/Antennen)
          differential     (für Differential-GPS)
          official         (für gekaufte Punkte)
lat=*                    (Breite dezimal in WGS-84)
lon=*                    (Länge dezimal in WGS-84)
alt:wgs84=*             (Höhe dezimal in WGS-84)
note=*                   'position will change'
description=*          '1. Sieldeckel im Immenredder westlich der Kreuzung Grützmühlenweg/Immenstieg'
name=*                   GCP_Immenredder_001 (der Name beginnt mit GCP (für GroundControlPoint)
type=*                   manhole_cover (für z.B. Gullideckel)

Siehe auch