Gezeitenbeschickung mittels GNSS – Die Bestimmung des Seekartennulls

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1 Gezeitenbeschickung mittels GNSS – Die Bestimmung des Seekartennulls
3. Februar 2011

2 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Details über die Höhenmessung mit GNSS Ziel: das Messverfahren besser zu verstehen Diskussion über die Erfahrungen Inhalt Die GNSS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt Echtzeit und Nachbearbeitung Der Empfang der Korrekturdaten Höhenmessung mit GNSS Die Bezugsflächen 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

3 Die GNSS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
Global Navigation Satellite System NNSS Transit NAVSTAR GPS Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System GLONASS Galileo 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

4 Die GNSS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
Z GPS Messungsgrößen: Pseudoentfernungen Laufzeiten Bahndaten Uhrkorrekturen Ergebnis der Berechnung: X, Y, Z der Empfangsantenne Y X 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

5 Die GPS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
Ausgangssituation inzwischen weitere Stationen 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

6 Die GPS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
Fehlerbeiträge (nach Seeber, S. 290): Satellit Bahn (5..40 m, je nach SA) Uhr (1..50 m, je nach Uhr) Signalausbreitung Ionospäre (0,01..0,1 m) Ionospärenmodell bei C/A-code ( m) Troposphärenmodell (0,1 m) Multipath (Signalreflexionen) (1..5 m) Empfänger Beobachtungsrauschen (0,1..10 m, je nach P- oder C/A-code) Verzögerungen in der Hardware (0,1..1 m) Antennen-Phasenzentrum (0,001..0,01 m) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

7 Die GPS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
DGPS: differential GPS ein Teil der syst. Fehler ist für benachbarte Stationen identisch Referenzstation mit bekannten festen Koord. Ergebnis der Berechnung: ΔX, ΔY, ΔZ zw. Empfänger- und Referenzantenne 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

8 Die GPS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
PDGPS: precise DGPS oft „RTK“ (real time kinematic) genannt Verwendung von Trägerphasenmessungen Messung der Phasenlage ± 0,5 cm + d • 10-6 Problem: Lösung der Phasenmehrdeutigkeiten 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

9 Die GPS-Messungsgrößen und der Fehlerhaushalt
Trägerfrequenz: 2 Frequenzen von jedem Satelliten L1: 1575,42 MHz entspr.19,05 cm L2: 1227,60 MHz entspr. 24,45 cm Signale auf diesen Frequenzen: Navigationssignale (Codes): C/A-Code 1,023 MHz entspr. 293,1 m auf L1 P-Code 10,23 MHz e. 29,31 m auf L1 und L2 oder Y-code (geheim) Navigations- und Systemdaten (messages): 50 Hz-Daten Position und „Health“-Status 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

10 Echtzeit und Nachbearbeitung
Echtzeit-Berechnungen Berechnungen aus Codes (C/A-code, P-code) Berechnungen aus Trägerphasenmessungen Berechnungen im Postprozessing Einzelstationslösungen aus Codes (wird meist nur für die Berechnung von Näherungskoordinaten benutzt Netzlösungen mit mehreren Standpunkten aus Trägerphasenmessungen bei gleichen Empfängern auf allen Stationen können die empfängereigenen Daten verwendet werden, andernfalls: empfängerunabhängiges Datenformat: RINEX (receiver independent exchange format) PPP (precise point positioning) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

11 Der Empfang der Korrekturdaten
Verschiedene Möglichkeiten: Globale Dienste, satellitengestützt, z.B. EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) bodengestützt, z.B. IALA (Helgoland, Groß Mohrdorf,...) Regionale Dienste, z.B. SAPOS, ASCOS SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst der AdV) EPS: Echtzeitpositionierungsservice, nur Codekorrekturen HEPS: Hochpräziser Echtzeitpositionierungsservice, auch Phasenkorrekturen andere, nicht Echtzeitdienste Lokal: eigene Referenzstation 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

12 Der Empfang der Korrekturdaten
Datenformate: eigene Formate standardisierte Formate: RTCM häufig benutztes Datenformat der Radio Technical Commission for Maritime Services (RTCM): Version 2.0 wurde für Korrekturen von C/A-Code-Messungen entwickelt Version 2.1: Weiterentwicklung, auch für Korrektur von Phasenmessungen Typen von Nachrichten: Typ Inhalt Häufigkeit 1/9 GPS-Korrekturen oft 3 Parameter der Referenzstation 2/Std. 16 Textinformation gelegentl. 21/22 Phasenkorrekturen oft ... 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

13 Der Empfang der Korrekturdaten
Korrekturdatendienst der Seezeichenbehörden IALA (Int. Association of Lighthouse Authorities) international vereinheitlicht ehem. Seefunkfeuer, Korrekturdaten aufmoduliert Deutschland: Helgoland, Groß Mohrdorf NL (z.B. Hoek van Holland), DK (z.B. Blavandshuk) nur Codekorrekturen nach RTCM 2.0 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

14 Der Empfang der Korrekturdaten
SAPOS EPS: Codekorrekturen, RTCM 2.0 HEPS: Phasenkorrekturen, RTCM 2.3 bzw. 3.0 Pellworm in der Luft, aber alte Koordinaten und ohne FKP Deutsche Bucht Übertragung: UKW: 2 m-Band GSM Internet (Protokoll NTRIP, RTCM 3.0) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

15 Der Empfang der Korrekturdaten
SAPOS-Vernetzung 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

16 Der Empfang der Korrekturdaten
Vernetzung: Flächenkorrekturparameter (FKP) für jeden Satelliten: im Dreieck je ein Parameter für Länge und Breite auf Mobilstation: Berechnung eines interpolierten Wertes für die jeweiligen Korrekturwerte Übertragung mit 2 m-Band und GSM möglich ... 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

17 Der Empfang der Korrekturdaten
Vernetzung: virtuelle Referenzstation (VRS) Übertragung der Näherungsposition an Zentrale dort Berechnung der interpolierten Korrekturwerte Übertragung per RTCM-Datenstrom: Korrekturdaten bezogen auf Näherungsposition nicht mit 2-m-Funk möglich zukünftig: Master-Auxiliary-Concept (MAC) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

18 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Höhenmessung mit GNSS Höhe [m] 0,2 MWS NN -0,1 -0,5 SKN -3 (LAT) Seegrund -40 Ellipsoid (ETRS89) -50 Entfernung von offener See zur Küste hin 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

19 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Höhenmessung mit GNSS Antennenabstand Aktueller Wasserstand Tide Seegang Lotung PDGPS Höhe SKN Tiefe Höhe SKN über Ellipsoid Meeresboden Ellipsoid 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

20 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Höhenmessung mit GNSS Nachteil: geometrisch: Kein Bezug zu den benötigten Flächen NHN und SKN nicht flächendeckend wegen Abhängigkeit von Referenzstationen Vorteil: höhere Genauigkeit gleichzeitige Korrektur von Wasserstand und Seegang unabhängig von Pegelmessungen und Wetter 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

21 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Ostsee: SKN: mittlerer Wasserstand, bezogen auf Landeshorizont: MV: langjähriger MWS: SKN = HN-14 cm SH: SKN = NN künftig: SKN = NHN Nordsee: SKN auf Niedrigwasser: SKN auf LAT bezogen für Küsteningenieure zusätzlich Bezug auf NN, künftig NHN 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

22 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Ostsee SKN = NN bzw. HN-14cm, bald NHN Quasigeoid EGG97 mit Korrektur GCG05 des BKG aber auch: geringere Probleme der traditionellen Beschickung Quasigeoid GCG05 Teil Küste 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

23 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Nordsee SKN abgeleitet vom niedrigstmöglichen Gezeitenwasserstand Lowest Astronomical Tide (LAT) bis Ende 2004: Mittl. Springniedrigwasser (MSpNW) Eigenes Projekt des BSH Absolute Bestimmung von SKN-Flächen zur satellitengestützten Beschickung in der Deutschen Bucht neue Version 2007 wird fortgesetzt (siehe letzte Folie) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

24 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Ziel kontinuierliche Bezugsflächen: Lowest Astronomical Tide (LAT) Mittl. Springniedrigwasser (MSpNW) zunächst reicht Küstennähe aus Bezug auf das durch SAPOS benutzte Ellipsoid (ETRS89) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

25 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Datengrundlagen 140 Pegel erster und zweiter Ordnung im See- und Tideflussbereich ... 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

26 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Datengrundlagen 140 Pegel erster und zweiter Ordnung im See- und Tideflussbereich Quasigeoid EGG97 als Zwischenfläche ... hier Pegel Nordfriesland --> 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

27 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Datengrundlagen 140 Pegel erster und zweiter Ordnung im See- und Tideflussbereich Quasigeoid EGG97 als Zwischenfläche Finite-Elemente-Modell der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) ... 32000 Knoten ein Jahr stdl. Gezeitensimulation pro Knoten Gezeitenanalyse für jeden Knoten 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

28 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Datengrundlagen 140 Pegel erster und zweiter Ordnung im See- und Tideflussbereich Quasigeoid EGG97 als Zwischenfläche Finite-Elemente-Modell der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) GPS-Pegelkampagne zur Einbindung in ETRS89 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

29 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Pegel Emshörn ... SAPOS: Monitoring 15 min. mit 1 Messung/s Static: 90 min. mit 1 Messung/s Mittel der statischen Messungen: 53,714m Mittel der Echtzeitmessung: (ellips. Höhe über ETRS89) 53,748m Höhenunterschied ETRS89 - Punkt 2306/302 ,NN+13, ,209m... PNP-Höhe über ETRS89: 35,189m 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

30 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
40 39 38 37 36 7°30‘ 7°0‘ 6°30‘ 8°0‘ 53°30‘ 54°0‘ Ostfriesland 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

31 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS
Die Bezugsflächen Nordfriesland 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

32 Ausblick: Projektskizzen zur Beschickung
Vertical Separation Model for the German Bight SKN-Modell bisher nur Küstenbereiche Ostfriesland Elbe, Weser, Jade Nordfriesland zu erweitern auf gesamte AWZ Verwendung von hydrodynamischen Modellen Altimetermessungen Mehrere Bezugsflächen: SKN LAT HAT MWS,... Eingebunden in NSHC-Aktivitäten 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

33 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

34 (finite element model)
Processing Geometric/stochastic Tidal time series (finite element model) Model range values (model nodes & tide gauge positions) Corrected model modelling of range values correction parameters (model nodes) Range computed from observations (tide gauge positions) Tidal time series (observations) Chart Datum Chart Datum seamless surface referred to ellipsoid above ellipsoid (model nodes) Tide gauge levelling campaign Ellipsoidal heights (tide gauge positions) Geometric/stochastic Quasigeoid EGG97 EGG97 heights (model nodes & tide gauge positions) Mean level modelling of (satellite altimetry above ellipsoid correction parameters also planned) (model nodes) 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS

35 3. Februar 2011; Wilfried Ellmer: Gezeitenbeschickung mittels GNSS