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GPS/GNSS Messungen ohne Echtzeitkorrekturen

Wie messe ich ohne Internet mit meinem GPS/GNSS Gerät?

Es war Ende April, an einem kalten verregneten Tag in Steinbach am Ziehberg. Eine Waldvermessung im Hochgebirge und ich brauchte unbedingt die GNSS Koordinaten eines Festpunktes. Nach einem halbstündigen Aufstieg zum Gipfel dann die Ernüchterung: ich hatte kein Internet.

Jeder, der schon öfters mit einem RTK-Empfänger vermessen hat, hat irgendwann mal dieses kleine aber schwerwiegende Problem: kein Internet. Was mach ich denn nun? Kann ich in solchen Situationen eigentlich vermessen?? Dieser Artikel soll einige der Möglichkeiten aufzeigen, wie ich auch ohne Echtzeitkorrekturen plausible GPS/GNSS Messungen erzeugen kann.

Wie funktioniert eine GPS/GNSS Vermessung mit Echtzeitkorrekturen? (eine theoretische Kurzfassung)

Im englischen spricht man von RTK – Real Time Kinematic. RTK ist eine Methode der GPS/GNSS Vermessung bei der eine sehr genaue Position in Echtzeit errechnet werden kann. Diese Methode funktioniert wunderbar, man erreicht mit dem richtigen Equipment Genauigkeiten von 1-2 cm in der Lage.

RTK Überblick
RTK Prinzip (Quelle: unbekannt)

Um RTK Vermessungen in dieser Genauigkeit durchzuführen braucht man einen Empfänger der RTK tauglich ist, Korrekturdaten in unserem Fall aus dem Internet und natürlich möglichst freie Sicht zum Himmel für guten GPS/GNSS Empfang.

Der RTK Empfänger – auch Rover genannt – erhält nun zur selben Zeit die Satellitendaten direkt von den GNSS Satelliten am Himmel, und Korrekturdaten von einem bzw. mehreren vernetzten Empfängern – man spricht von Basisempfängern – die genau dieselben Satelliten „sehen“. Mit diesen Korrkturdaten kann nun der Rover eine Position in der Genauigkeit von 1-2 cm errechnen. Die ganze Datenübertragung und Berechnung ist sehr schnell (< 1 sec) und wir sprechen daher von einer Echtzeitlösung. Wie schon erwähnt, werden die Korrekturdaten von einem bzw. mehreren vernetzten Basisempfängern übermittelt. Die einfachste Methode ist hier die Verwendung eines Korrekturdatendienstes, wie z.B. APOS oder EPOSA in Österreich. Diese kostenpflichtigen Dienste stellen die benötigten Korrekturen für den Rover im Vermessungsgebiet über eine mobile Internetverbindung zur Verfügung.

GPS/GNSS Messungen ohne Internet-Echtzeitkorrekturen:

Nun kommt es leider manchmal vor, dass mir aus den unterschiedlichsten Gründen kein Internet zur Verfügung steht. Musste ich im April ohne Messungen enttäuscht vom Gipfel steigen oder gibt es eine einfache Methode? Im Anschluss habe ich ein paar Möglichkeiten aufgezählt, auf welche ich später im Artikel näher und detaillierter eingehen werde:

  • Post Processing:bei dieser Methode bleibe ich länger (10 – 30 Minuten) auf einem Punkt stehen, zeichne Satellitenrohdaten auf und werte diese Daten später im Büro aus. Die wahrscheinlich einfachste Methode für einzelne Punkte.
  • RTK mit einer eigenen Basis:sollte ich im Hochgebirge sein, wo leider kein Internet hinkommt, kann ich mit einer einen Basis arbeiten. Vorteil Echtzeitmessung wie gewohnt, jedoch brauche ich einen zweiten Empfänger als Basis und eine Kommunikation zwischen den beiden via Funk.
  • PPP – Precise Point Positioning:eine moderne Prozessierungstechnik die ohne Basiskorrekturen auskommt. Echtzeit PPP Lösungen sind am Markt derzeit noch rar, gewinnen jedoch mehr und mehr an Popularität.
  • Mobile Signalverstärker für das Internet:für ein Signalloch in einem Steinbruch. Billige Signalverstärker gibt es jede Menge zu kaufen und lösen auch ein kurzzeitiges Internetproblem.

Post Processing Möglichkeit

Wie der Name schon verrät, ist es eine Auswertemöglichkeit im Nachhinein. Beim Post Processing zeichne ich Rohdaten am Rover auf und werte die Punkte später im Büro mit einer geeigneten Software aus. Was ich dazu noch dringend brauche ist ein zweiter Empfänger, mit dem ich zeitgleich Rohdaten aufzeichne. In unserem Fall brauche ich hierzu keinen zweiten Empfänger sondern kann mir diese Basis Rohdaten vom Korrekturdatenbetreiber wie APOS oder EPOSAkaufen.

Die Genauigkeit der Auswertung hängt von verschiedenen Faktoren ab, der wichtigste ist dabei der Abstand der Basisstation. Die heutigen State-of-the-Art Empfänger weisen auf Ihren Datenblättern Genauigkeiten von ca. ± 0.5 mm oder ± 1 mm pro km Abstand zwischen Rover und Basis Genauigkeitsabweichung heranziehen. Dieser Abstand, die Anzahl der aufgezeichneten Satelliten und die Aufzeichnungsrate ergeben demnach die Zeit, wie lange ich auf dem Punkte stehen bleiben soll um cm-Genauigkeit zu erreichen.Stehe ich nun irgendwo in Österreich, werde ich eine Basis von APOS oder EPOSA verwenden. Stehe ich sehr ungünstig, habe ich eine Entfernung zur nächsten Basisstation von maximal 30 km, was einer Genauigkeitsklasse von ca. 2-3 cm in der Lage entspricht.

Fast jeder Rover im Vermessungsbereich kann Rohdaten aufzeichnen und ist somit für die Datenaufnahme geeignet. Gehe ich von einem neueren GNSS Empänger aus, hab ich ca. 16 GPS und GLONASS Satelliten, die ich gleichzeitig mit dem Rover empfangen kann. Eine Aufzeichnungsrate von 1-5 Sekunden ist für die spätere Berechnung genau genug.

Von Vorteil mag auch noch ein Fluchtstabstativ sein, ich zumindest würde zuviel zittern. Eine Aufstellungszeit von 10-15 min reicht unter guten Empfangsbedinungen um eine Rover-Position in cm-Genauigkeit zu errechnen.

Bei meiner Gipfelvermessung habe ich das Internetproblem mit einer Post-Processing-Auswertung gelöst. Ich bin 13 Minuten lange gestanden, habe Rohdaten mit einem Aufzeichnungsintervall von 1 Sekunde gespeichert. Im Büro wurden die Daten mit Hilfe der Stationsrohdaten von Kurrekturdatendienst APOS ausgewertet und überprüft. Das Ergebnis erbrachte genau die gewünschte Genauigkeit im cm-Bereich und die Koordinaten hielten auch den Prüfungen im Vermessungsamt statt.

Well done! Mit der Post Processing Möglichkeit konnte ich die GPS/GNSS Messungen in einer Genauigkeit von wenigen cm auch ohne Internet-Echtzeitkorrekturen durchführen.

RTK mit einer eigenen Basisstation

Betreibt man eine eigene Basisstation, brauche ich eine Kommunikationsschnittstelle zwischen beiden Empfängern. Diese wird normalerweise mit Funkmodulen realisiert. Ein typisches Beispiel ist eine Baustelle, bei der sowohl Vermesser als auch Planierraupen oder Bagger mit GPS/GNSS Korrekturdaten arbeiten.

Die Vorteile dieser Lösung ist einerseits die Genauigkeit, die dadurch verbessert werden kann da die Basisstation viel näher am Rover liegt. Durch die vielen Nutzer und die intensive Benutzung (viele Maschinen arbeiten auch mehr als 8 Stunden kontinuierlich mit den Korrekturdaten) der Daten kann günstiger sein, wenn man die eigene Basis betreibt.

Für einzelne Punkte, im Falle meiner Gipfelvermessung also, ist das Betreiben einer eigenen mobilen Basisstation nicht rentabel. Ich würde eine solche Lösung in Gebieten wählen, wo ich einerseits kein Internet habe, andererseits eine gute GPS/GNSS Sichtbarkeit – z.B. bei großflächigen Vermessungen oberhalb der Baumgrenze (wie oft es solche Messeinsätze gibt, ist eine andere Geschichte 🙂 ). Sollte ich mir dennoch einmal eine eigene Basis bei den Herstellern ausborgen, muss ich vorher wissen ob mein Rover die Möglichkeit besitzt die Korrekturdaten über Funk zu empfangen!

RTK Vermessung (Quelle: Creative Commons)

PPP – Precise Point Positioning

Precise Point Positioning (PPP) ist eine moderne Prozessierungstechnik für einen GPS/GNSS Empfänger ohne zusätzliche Korrekturdaten einer Basis. Für die Genauigkeitssteigerung verwendet man bei der PPP Methode präzise Ephemeriedendaten, das heißt man verwendet genauere Orbit- und Uhrendaten der Satelliten.

Die präzisen Ephemeridendaten müssen natürlich auch den Empfänger erreichen, da dies nicht über die standard Navigationsnachricht funktioniert. So werden sie nun via Internet (wieder das Internet, das wir nicht haben) oder via Satellit übertragen. Das heißt nun aber, dass ich auch mit meinem Empfänger das spezielle Signal des Satelliten empfangen muss und da scheiden fast alle aus: nur die letzten Rover von Leica Geosystems und Trimble haben diese Fähigkeit, da die beiden Hardwarehersteller eigene Satelliten betreiben.

Zusätzlich zu den präzisen Ephemeridendaten kommen bei PPP viele Modelle zum Einsatz um die Fehlerquellen (die bei einer RTK-Lösung durch die Differenzbildung einfach wegfallen würden) zu minimieren. Da diese Berechnungen sehr zeitintensiv sind, braucht der Empfänger für eine Lösung im cm-Bereich 10-15 Minuten. Ist er aber einmal „initialisiert“, kann man damit Punkte messen wie man es von einem RTK-System gewohnt ist.

In Österreich ist diese Methode leider nicht sehr brauchbar. Die Satelliten für die Übertragung stehen flach im Süden und werden durch unsere Berge manchmal sogar abgeschattet. Sehr gut funktioniert das System z.B. in Afrika, wo kein APOS oder EPOSA mehr funktioniert und die Übertragungssatelliten im Zenit stehen: wird also mal Zeit für einen längeren Außendiensteinsatz!

Mobile Signalversträrker für das Internet

Schaut man sich im Internet um, findet man tausende von Lösungen: GSM oder LTE Repeater, kleine Geräte mit großen Antennen oder einfachen Kompaktverstärker. Von 30 Euro bis 500 Euro ist für jede Geldbörse etwas dabei.

Der Vorteil: klein und handlich.

Der Nachteil: nur sehr lokal beschränkt einsetzbar, und auch nur dort wo ich genau weiß, dass ich keinen Empfang habe.

Vielleicht hilft aber statt dem Signalverstärker eine neue SIM-Karte eines anderen Anbieters? Vielleicht würde sogar manch schlecht Empfangssituation einfach durch den Wechsel der SIM-Karte behoben!

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