Zur Bewertung von High Sensitivity GNSS-Empfängern bei der Kombination in Multi-Sensor-Systemen

Abstract

Die instantan mit stationären, terrestrischen Laserscannern (TLS) aufgenommen dreidimensionalen Punktwolken beziehen sich generell auf ein lokales Horizontsystem, dessen Lage und Orientierung gegenüber einem übergeordnetem Koordinatensystem nur durch vorausberechnete Kontrollpunkte auf das notwendige geodätische Datum überführt werden können. Um eine direkte Georeferenzierung zu ermöglichen und den Prozess zu optimieren wurde am Geodätischen Institut Hannover (GIH) ein Multi-Sensor-System (MSS) entwickelt. Die aktuelle Konfiguration setzt sich aus kosteneffizienten und gewichtsreduzierten Elementen wie z.B. zwei Ublox M8T Empfängern in Kombination mit Ashtec L1-Antennen zusammen. Diese sind mit einer Basis von ca. 1 m auf dem Laserscanner aufgebracht und derart optimiert, dass das Sichtfeld nicht beeinflusst wird. Die anschließende Prozessierung zur Bestimmung der Transformationsparameter und des lokalen Azimuts basiert auf einen rekursiven Kalman Filter innerhalb eines Extended Kalman Filter (EKF) Ansatzes. Diese Systemkonfiguration und Auswertung führt nur zu optimalen Ergebnissen, sofern das Systemrauschen auf Ebene der originären Beobachtungen quantifiziert und exakt genau bekannt ist. Die Betrachtung auf der Beobachtungsebene erlaubt den Zugang zu den Beobachtungen, die durch modifizierte funktionale und stochastische Ansätze optimal angepasst werden können und steht damit im Gegensatz zu den Genauigkeitsparametern auf der Positionsebene, die sich aufgrund der internen Verarbeitung der Beobachtungen ergeben. Im Detail sind folgende Voraussetzungen notwendig: (1) es sollte eine Normalverteilung der Beobachtungen vorliegen, (2) die Informationen zur Kovarianzmatrix sollten vorhanden sein und (3) es sollten keine Korrelationen in zeitlicher Abhängigkeit entstehen. Diese Voraussetzungen sind aufgrund vorhandener stochastischer Abhängigkeiten durch zeitliche Korrelationen im Zustandsvektor nicht vollständig erfüllt. Zudem haben vorangegangene Studien gezeigt, dass die kinematischen Zeitreihen von ca. 15 Minuten Länge im Rahmen der Untersuchung der Autokorrelation zusätzliche Abhängigkeiten aufweisen. Daraufhin wurden in Kooperation mit dem Institut für Erdmessung (IfE) langzeitstatische Messungen bezüglich einer Referenzantenne auf einer Nullbasislinie analysiert und studiert, um die Systemeigenschaften der High-Sensitivity Empfänger zu quantifizieren und nachweisbare sowie robuste Aussagen für die Parameter der EFK-Modellierung ableiten zu können. Dieser Beitrag präsentiert ein Konzept zur Evaluierung und Analyse kosteneffizienter, high Sensitivity GNSS-Ausrüstungen. Es wird gezeigt, dass die Qualität dieser Geräte für eine breite Variation von Anwendungen erheblich gute Performanz aufweist, z. B. liegt das Trägerphasenrauschen bei 2 mm im Zenitbereich und ist damit vergleichbar zu aktuellen geodätischen GNSS-Empfängern. Dennoch ergeben sich marginale Elevationsabhängigkeiten, die es zusätzlich zu berücksichtigen gilt. Die wichtigsten Testparameter für den vorgestellten Ansatz sind u.a. die Trägerphasenstabilität, das Rauschniveau sowie Inter-Frequenz Offsets. Mit Werkzeugen wie z. B. der Quantil-/Quantil-Darstellung oder der Allan-Standardabweichung lassen sich die Rauschtypen charakterisieren. Zusätzlich erlaubt eine Analyse der Allan-Standardabweichung einen Rückschluss auf die Kurz- und Langzeitstabilität aller Beobachtungstypen (Träger-, Codephase, Doppler und C/N0) solcher Geräte. Zur Kreuzvalidierung werden zusätzlich Ergebnisse kinematischer Analysen diskutiert. Eine stabile Lösung im Sinne des Ansatzes einer kinematischen Basislinie für die zwei Antennen auf dem Scanner stehen im Fokus der aktuellen Betrachtungen. Die Ergebnisse und Quantifizierungen sollen zukünftig unterstützend helfen, Systemeigenschaften von Multi-Sensor-Systemen optimal abstimmen und Anwendungsfelder von High-Sensitivity Empfängern gesichert abschätzen zu können.