DE:Genauigkeit von GPS-Daten
GPS ist ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS) zur Positions-Bestimmung. Neben dem amerikanischen GPS gibt es das russische GLONASS, das europäische Galileo und das chinesische Beidou. Viele Geräte empfangen neben GPS auch GLONASS und sind bereits für Galileo vorbereitet.
- siehe Hauptartikel GPS-Gerät
Dieser Artikel behandelt die Genauigkeit von Positionen, bzw. Störungen, die zur Verminderung von Genauigkeit führen, und beschreibt Wege, um die Genauigkeit zu verbessern. Diese Informationen betreffen alle Satelliten-Navigationssysteme.
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 die bisher mit dem Sextant bestimmten 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
Durch Messung der Laufzeit des Satellitensignals kann der Abstand berechnet werden. Mit dem Abstand als Radius vom Satelliten als Zentrum ergibt sich eine Kugelfläche, auf der sich die GPS-Antenne befindet. Der genaue Standort ergibt sich als Schnittpunkt von Kugelflächen.
Zur Bestimmung einer 2-dimensionalen Position (LAT/LON) sind die Daten von 3 Satelliten erforderlich. Zwei für die horizontale Position (x/y), ein dritter für die Zeit (t).
Zur Bestimmung einer 3-dimensionalen Position (LAT/LON/ALT) sind die Daten von 4 Satelliten erforderlich. Zwei für die horizontale Position (x/y), ein dritter für die Höhe (z) und der vierte für die Zeit (t).
| Position | Daten | erforderlich |
|---|---|---|
| 2-dimensional | LAT, LON | 3 Satelliten |
| 3-dimensional | LAT, LON, ALT | 4 Satelliten |
Beim heutigen GPS-System sind von jedem Standort aus meistens 6 bis 12 Satelliten gleichzeitig sichtbar, bei Mitverwendung von GLONASS entsprechend mehr. Mit den Messungen aller Satelliten werden entweder über eine Least-Squares-Iteration oder in einem Kalman-Filter die Position sowie die genaue Zeit berechnet. Durch die Überbestimmung des Gleichungssystems steigt die Genauigkeit.
Geometrie
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 mindestens 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.
Je nach dem Winkel zwischen zwei Satelliten schneiden sich die Kugelflächen mehr oder weniger "schleifend". Je nach Genauigkeit der Zeit- bzw. Distanzmessung ergibt sich ein mehr oder weniger breiter "Ring" beim Schnitt der Kugelflächen, und damit eine entsprechend größere oder kleinere Fläche, in der sich der Standort befindet:
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
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
In der Ionosphäre und in der Troposphäre werden die Radiowellen gebrochen. Diese Brechung ist nicht konstant, sondern hängt von der aktuellen "Wetter"-Lage in der Ionosphäre ab. Gleichzeitig werden die Signale gedämpft. Durch die variable Brechung der Ionosphäre entstehen längere Laufzeiten, die zu Berechnungsfehlern führen. Die Dämpfung veringert die Strahlenleistung am Empänger, so dass u.U. dieses Satellitensignal zu schwach für eine Messung ist.
Das Signal eines hoch stehenden Satelliten quert die Ionosphäre fast senkrecht, die Atmosphäre ist dort weniger bzw. minimal "dick". Weiter gibt es durch den geringen Einfallswinkel fast keine Brechung des Signals. Der Fehler ist also eher klein bzw. minimal. Bei einem niedrig über dem Horizont stehenden Satelliten muss das Signal aber, durch den schrägen Verlauf, einen längeren Weg durch die Ionosphäre zurück legen, was zusätzlich zu einer noch größere Refraktion führt, die dadurch das Signal stärker stört. Außerdem benötigt das Signal dafür mehr Zeit, was eine zusätzliche Positionsungenauigkeit erzeugt DOP.
Die oben genannten Fehlerquellen können durch Systeme/Verfahren:DGPS/WAAS/EGNOS mittels deren speziellen Referenz-Information und Korrekturwerte ermittelt und - zumindest teiweise - berichtigt werden. Professionelle Geräte arbeiten mit Zwei- bzw. Mehrkanalübertragung auf unterschiedlichen Frequenzen, damit zumindest die Laufzeitunterschiede direkt berechnet werden können. Solche Geräte kosten aber mehrere tausend Euro.
Dämpfung
Dämpfung der Signale entsteht vor allem in der Ionosphäre und der Atmosphäre. Sie steigt mit der Dicke der Schicht, die das Signal durchqueren muss. Die ohnehin sehr schwachen Satellitensignale werden durch Dämpfung zusätzlich geschwächt, so dass sie oft im Rauschen untergehen und nicht mehr ausgewertet werden können oder zu Fehlberechnungen führen. Ungenügender Satelliten-Empfang wird von einigen Geräten angezeigt.
In Jahren hoher Sonnenaktivität nimmt die Dämpfung in der Ionosphäre zu. Im ungewöhnlich langen Minimum von 2008/09 war die Sonne monatelang fleckenlos. Das Maximum des laufenden 24. Sonnenzyklus war zunächst für Ende 2012 prognostiziert. Die Zunahme der Aktivität erfolgte 2011 und Anfang 2012 wie erwartet und hält sich seither auf einem untypisch niedrigen Mittelwert. [1]
Auch die Abschattung durch Bäume, Häuser und Berge etc. ist eine Dämpfung.
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
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 durch 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 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 Mittelwelle (0,3 - 3 MHz) frei empfangbar sind. Der Empfang ist mit jedem Mittelwellenradio 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. 10 Ct/Minute, in einigen Bundesländern bereits Kostenlos mit zunehmender Tendenz). Mittels RTK-Receiver zusammen mit dem SAPOS-HEPS Dienst können Genauigkeiten erreicht werden die bei guten Bedingungen typischerweise im Bereich 1-2cm liegen.
Derzeit ist keine Software für ein Mobildevice bekannt, welche OpenStreetMap benutzt und außerdem DGPS Korrekturdaten zur Genauigkeitssteigerung des eingebauten GPS Empfängers verwendet.
Üblicherweise ist ein zusätzlicher Receiver erforderlich (meist mit einer externen Antenne gekoppelt). Über das Mobildevice können einerseits die Korrekturdaten empfangen und an den Receiver übertragen werden, andererseit werden die vom Receiver ermittelten Positionsdaten an das Mobildevice zurückgegeben. Dieser Prozess erfolgt in Echtzeit. Hierfür sind zahlreiche mobile GIS-Anwendungen verfügbar. Aufgezeichnete gpx-Tracks können problemlos direkt vom Mobildevice in OSM hochgeladen werden. (vgl. Abschnitt "Nachträgliche Korrektur durch NTRIP")
- Wer sich für dieses Verfahren zum Mapping interessiert kann gerne Fragen stellen: --Ajf3934221-wiki-tue (talk) 08:08, 13 July 2019 (UTC) ajf hält dieses Verfahren zum Mapping für praktikabel
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 ausgeben kann. Die kann z.B. mit einigen µBlox- oder Skytraq-Empfängern sowie der Software rtklib erreicht werden.
Keine nachträgliche Korrektur durch DGPS
Sollte möglich sein, seine Tracks nachträglich mittels DGPS zu korrigieren?
Dazu müßte 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)
Die einfache Subtraktionsmethode funktioniert nicht. Selbst wenn der stationäre Empfänger nur wenige hundert Meter entfernt ist, erreicht man fast immer nur eine Verschlechterung der Tracks. --Nachtkrab 14:30, 08.09.2014
Die Idee, die fertigen Koordinaten zweier GPS-Empfänger zu vergleichen, kursiert als "Poor Man's DGPS", und liefert keine zuverlässigen Ergebnisse. Hauptgrund ist, dass die beiden Empfänger nicht gleichzeitig genau die gleichen Satelliten auswählen werden, und somit sozusagen auf "unterschiedlichen Wegen" zu ihrere Koordinatenberechnung kommen.
DGPS funktioniert daher nur bei Korrektur der Rohdaten der Satelliten, d.h. für jeden Kanal einzeln, das kann aber ein Consumer-Gerät nicht. Weitere Details zu dieser Frage findet man hier: http://www.gpsinformation.net/main/poordgps.htm
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 :-)
Startgeschwindigkeit
Startgeschwindigkeit ist die Zeitspanne vom Einschalten des Gerätes bis zu ersten Anzeige einer Position. Damit das GPS die Satelliten findet, muss es wissen, wo diese stehen. Dazu braucht man die Bahndaten (Ephemeriden). Diese sind im Satellitensignal enthalten, werden aber nur in grösseren Zeitabständen übermittelt. Deshalb kann ein Kaltstart mehrere Minurten dauern.
- Kaltstart
Ein Kaltstart ist erforderlich wenn ein Gerät:
- zum ersten Mal benutzt wird (Neukauf)
- im ausgeschalteten Zustand über eine Distanz von 800 km zur letzten berechneten Position transportiert wurde (Flugreise, Versand)
- längere Zeit nicht benutzt wurde (nach ca. 3 Monaten wird der interne Speicher gelöscht)
- A-GPS
Bei Assisted-GPS werden die Ephemeriden aus dem Internet oder über Mobilfunk geladen. Das ist meist schneller als über Satellit.
- Warmstart
Wenn die Bahndaten bereits bekannt sind, werden die Satelliten schnell gefunden. Wenn die letzte Position bekannt ist, erfolgt auch keine Initialisierung. Der Warmstart dauert meist nur wenige Sekunden.