Messungen des Meeresspiegels mit Hilfe von Mehrfrequenz-GPS- und GLONASS-Beobachtungen

Gezeitenmesser des Global Positioning System (GPS) wurden in verschiedenen Konfigurationen realisiert, z. B. mit einer Antenne im Zenit, die das Mehrwege-Interferenzmuster für die Analyse des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) nutzt, oder mit einer Antenne im Zenit und einer im Nadir, die den Unterschied in der Phasenverzögerung analysieren, um die Höhe des Meeresspiegels zu schätzen. In dieser Studie verwenden wir zum ersten Mal einen echten GNSS-Gezeitenmesser, der am Onsala Space Observatory installiert ist. Dieser GNSS-Gezeitenmesser zeichnet sowohl GPS- als auch Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS)-Signale auf und ermöglicht es, sowohl den Ein-Antennen- als auch den Zwei-Antennen-Analyseansatz zu verwenden. Sowohl die SNR-Analyse als auch die Analyse der Phasenverzögerung wurden mit Zweifrequenz-GPS- und GLONASS-Signalen, d. h. mit Frequenzen im L-Band, während einer einmonatigen Kampagne ausgewertet. Die von GNSS abgeleiteten Meeresspiegelergebnisse wurden mit unabhängigen Meeresspiegelbeobachtungen von einem an gleicher Stelle befindlichen Gezeitendruckmesser verglichen und zeigen eine hohe Korrelation für beide Systeme und Frequenzbänder mit Korrelationskoeffizienten von 0,86 bis 0,97. Die Ergebnisse der Phasenverzögerung zeigen eine bessere Übereinstimmung mit dem Meeresspiegel des Gezeitenpegels als die SNR-Ergebnisse, mit quadratischen Abweichungen von 3,5 cm (GPS L1 und L2) und 3,3/3,2 cm (GLONASS L1/L2-Bänder) im Vergleich zu 4,0/9,0 cm (GPS L1/L2) und 4,7/8,9 cm (GLONASS L1/L2-Bänder). GPS und GLONASS zeigen im Vergleich eine ähnliche Leistung, und die Ergebnisse beweisen, dass für die Phasenverzögerungsanalyse beide Frequenzen verwendet werden können, während für die SNR-Analyse das L2-Band vermieden werden sollte, wenn andere Signale verfügbar sind. Es ist zu beachten, dass standardmäßige geodätische Empfänger verwendet wurden, die eine codebasierte Nachführung verwenden, d. h. die den unverschlüsselten C/A-Code auf L1 nachführen und die herstellereigene Nachführungsmethode für L2 verwenden. Signale mit dem neuen C/A-Code auf L2, dem so genannten L2C, wurden nicht geortet. Unter Verwendung der Windgeschwindigkeit als Indikator für die Rauheit der Meeresoberfläche stellen wir fest, dass die SNR-Analyse bei rauer Meeresoberfläche besser abschneidet als die Phasenverzögerungsanalyse. Die SNR-Analyse ist selbst bei der höchsten in dieser Kampagne beobachteten Windgeschwindigkeit (17,5 m/s) möglich, während die Phasenverzögerungsanalyse bei Windgeschwindigkeiten über 6 m/s schwierig wird.

GNSS, GPS und GLONASS

Die beiden GNSS, GPS und GLONASS, haben eine ähnliche Leistung für beide Analysemethoden. Es gibt jedoch einige eingebaute Unterschiede zwischen den beiden Systemen: die Anzahl der Satelliten in der Umlaufbahn, die bei GPS höher ist, und die verwendete Mehrfachzugriffstechnik. Ersteres wirkt sich bei der SNR-Analyse auf die Anzahl der möglichen Seegangslösungen pro Tag und bei der Phasenverzögerungsanalyse auf die Robustheit jeder Seegangslösung aus (Anzahl der Beobachtungen in der Least-Square-Lösung). Die beiden für GPS und GLONASS verwendeten Mehrfachzugriffsverfahren sind CDMA (Code Division Multiple Access) bzw. FDMA (Frequency Division Multiple Access). Das bedeutet, dass alle GPS-Satelliten dieselben L1- und L2-Trägerfrequenzen verwenden, während die GLONASS-Satelliten leicht unterschiedliche Trägerfrequenzen haben, die durch Vielfache von 562,5 bzw. 437,5 kHz für L1 bzw. L2 getrennt sind. Außerdem sind die GPS-Trägerfrequenzen niedriger als die GLONASS-Trägerfrequenzen.

Die unterschiedlichen Frequenzen haben zur Folge, dass die Größe des Reflexionsbereichs bzw. der Ausleuchtzone für die verschiedenen Satelliten unterschiedlich ist. Der Unterschied ist jedoch sehr gering, z. B. zeigt die Annäherung der Reflexionsfläche mit der ersten Fresnel-Zone, dass der maximale Unterschied in der Ausleuchtzone bei gleichem Frequenzband für eine Installation mit einer Höhe von 4,3 m über der Meeresoberfläche und bei Elevationswinkeln von 5°, 10° und 15° jeweils 7,3, 1,8 und 0,8 m2 beträgt. Dies ist viel kleiner als die tatsächliche Größe der Ausleuchtzone, und der Unterschied nimmt mit zunehmendem Höhenwinkel ab.

Ein weiterer Unterschied in Bezug auf die Satellitenausleuchtzonen ist die Wiederholungsfrequenz der einzelnen Ausleuchtzonen. Bei GPS wiederholt sich die Satellitenkonstellation etwa alle 12 Sternstunden, was bedeutet, dass sich die Ausleuchtzone mit der gleichen Periode wiederholt [24] und jeder Satellit bei jeder Umkreisung das gleiche Gebiet ausleuchtet. Bei GLONASS hingegen wiederholt sich die Satellitenkonstellation etwa alle 8 siderischen Tage. Somit bietet die kombinierte Nutzung von GPS und GLONASS sowohl eine bessere zeitliche Auflösung (mehr Beobachtungen des Meeresspiegels pro Zeiteinheit) als auch eine bessere räumliche Auflösung (bessere Abdeckung der Meeresoberfläche pro Zeiteinheit) als jedes System allein.

L1-, L2- und L5-GPS-Signale: Was bedeuten sie?

Waren Sie schon einmal verwirrt, wie viele verschiedene Arten von GPS-Signalen es gibt? Wenn ja, finden Sie hier eine schnelle und einfache Zusammenfassung, die die L1-, L2- und L5-Signale und deren Verwendung erklärt.

L1

Das L1-Signal ist das älteste GPS-Signal. Es besteht aus zwei Teilen: dem Coarse/Acquisition Code (C/A) und dem Precision Code (P-Code). Der P-Code ist der militärischen Nutzung vorbehalten, während der C/A-Code der Öffentlichkeit zugänglich ist. Das L1-Signal verwendet die Frequenz 1575,42 MHz. Da das L1-Signal das älteste und am weitesten verbreitete Signal ist, kann es auch von den billigsten GPS-Geräten empfangen werden. Da seine Frequenz jedoch relativ langsam ist, ist es nicht sehr effektiv bei der Überwindung von Hindernissen.

L2

Die L2-Frequenz wurde nach der L1-Frequenz eingeführt. Auch sie hat einen militärischen und einen zivilen Code. Die L2 verwendet die Frequenz 1227,60 MHz, die schneller ist als die L1. Dadurch kann das Signal Hindernisse wie Wolken, Bäume und Gebäude besser durchdringen. Da L2 jedoch neuer ist, ist seine Infrastruktur noch nicht vollständig. Aus diesem Grund kann es nicht allein verwendet werden: Es muss zusammen mit den L1-Frequenzen genutzt werden.

L5

L5 ist das dritte GPS-Signal, das auf 1176 MHz arbeitet. Es ist das bisher fortschrittlichste GNSS-Signal, aber es steckt noch in den Kinderschuhen und soll 2021 eingeführt werden. Es wird für sicherheitskritische Transporte und andere anspruchsvolle Anwendungen wie die Luftfahrt verwendet werden. Schließlich wird es ein weiteres Signal für zivile Nutzer werden. Da es noch so neu ist, ist es für Vermessungsingenieure noch nicht von Nutzen, aber man sollte es bei der Entwicklung der GPS-Empfänger der Zukunft im Hinterkopf behalten.

Verwendung des Signals

Es gibt zwei Möglichkeiten, die L1- und L2-GPS-Signale zu nutzen. Erstens kann das L1-Signal für sich allein verwendet werden. Dies ermöglicht eine Genauigkeit von etwa einem Zentimeter (wenn auch RTK verwendet wird), gilt aber immer noch als langsam und benötigt etwa 10 Minuten, um diese Genauigkeit zu erreichen.

Die L1- und L2-GPS-Signale können auch zusammen in einer Methode namens PPP (Precise Point Positioning) verwendet werden. Da das L2-Signal eine höhere Frequenz hat, kann es sich viel leichter durch Hindernisse hindurch bewegen. Das bedeutet, dass Fehler, die durch Partikel in der Luft verursacht werden, durch den Vergleich der beiden Signale berechnet und eliminiert werden können. Dadurch erhalten Sie eine Genauigkeit, die mit der RTK-Methode vergleichbar ist, nur dass nur ein Empfänger benötigt wird. Durch die gemeinsame Verwendung von L1 und L2 kann der Empfänger auch unter schwierigeren Bedingungen eingesetzt werden, z. B. in der Nähe von Gebäuden oder unter Bäumen (Quelle). Da das L2-Signal schneller ist und häufiger gesendet wird, ermöglicht diese Methode auch eine schnellere anfängliche Signalerfassung als mit L1 allein.