GPS-Empfangssysteme

Die Entwicklung von preiswerten GPS-Empfängern hat im letzten Jahrzehnt eine deutli-che Genauigkeitssteigerung erreicht. Dieses wird durch die von uns verwendeten Emp-fänger der Firma u-blox demonstriert. Das von uns 2006 eingesetzte Empfangsmodul SAM-LS erreichte einen Positionsfehler 2D von 5-15 m (50% der Messwerte liegen in-nerhalb dieser Fehlerschranke). Das LEA5-Modul, eingesetzt im Jahr 2008, erreichte Positionsfehler 2D im Bereich von 2-5 m. Das derzeit aktuelle Modul NEO8M erreicht unter guten Bedingungen einen 2D Fehler von 0,56 m. Der in diesem Projekt zur Vermessung der Bodenreferenzpunkte verwendete Präzisions-Empfänger NEO7P konnte den Fehler -in Verbindung mit einer durch zwei Einspeisepunkte besonders phasenlineare aktiven Antenne der Firma Tallysman- unter guten Bedingungen auf 27 cm 2D und 60 cm 3D reduzieren. Dieses wurde durch die Nutzung eines nunmehr über Fernmeldesatelliten ausgestrahlten SBAS-Dienstes und eines auf Stationärbetrieb optimierten Kalmanfilters sowie eines neu implementierten PPP-Verfahrens erreicht.

Eine weitere Steigerung der Präzision ist durch Differenz-GPS-Verfahren möglich. Erste Untersuchungen aus dem Jahr 2009 unter Nutzung der SAM-LS Module und der Open Source Software RTKLIB (T^AKASU 2009) erreichten im dynamischen Rover-Betrieb ei-nen Fehler von unter einem Meter (MEYER 2009). Unter Nutzung der aktuellen RTKLIB-Software (T^AKASU 2012), eines Laptops und eines für Forschungszwecke kostenfreien Ntrip-Dienstes (Standard for Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) des Bundesamtes für Vermessungswesen (B^UNDESAMT 2016) und der Empfangsstelle Borkum (154 km vom Fluggebiet entfernt) konnten 2D-Fehler von 3 cm und ein 3D-Fehler von 10 cm bei einer Auflösung im mm-Bereich im stationären Messbetrieb mit dem Präzisions-Empfänger NEO7P sowie bei sehr guten Bedingungen (offener Him-mel, >9 empfangene Satelliten, freies Feld, trockener Boden) erreicht werden. Das Ein-rasten der D-GPS-Phasen-Messung benötigt dabei typisch eine Zeit von 10-15 Minuten je Messpunkt. Mittels eines wetterfesten Smartphones wurde ein lokaler WLAN-Accesspoint aufgebaut, um eine Verbindung zum Internet und damit zum Ntrip-Dienst zu erreichen. Die übertragenen Datenmengen und somit die Verbindungskosten sind gering.

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Die Phasenmessung wird besonders durch Ausbreitung von Multipfaden der Satelliten-signale gestört bzw. verhindert. Hierbei werden SatellitenSatelliten-signale vom Boden und von Gebäuden etc. reflektiert. Bei geostationären Empfangsanlagen werden die reflektierten Satellitensignale oft durch mehrere um das eigentliche Antennenelement angeordnete Hohlleiter kurzgeschlossen (gaud ring). Da uns eine solche Einrichtung nicht zur Verfü-gung stand, wurde der Öffnungswinkel, unter denen die Satellitensignale ausgewertet wurden, in der RTKLIB-Software auf 45° erhöht. Bis auf nun weniger (1-3) sichtbare Satelliten konnte kein weiterer Nachteil festgestellt werden. Es ist zweckmäßig, die An-tenne etwa 2 m über dem Boden anzuordnen. Auch diese Maßnahme ergibt bessere Signale und somit höhere Genauigkeiten. Bezüglich der Höhenbestimmung mit dem GPS bleibt festzustellen, dass die Höhenfehler gegenüber 2D-Koordianten sich in etwa verdoppeln. Ein Fehler von 56 cm bzw. 14 cm für die Referenzpunkte erschien uns als zu hoch. Deshalb wurden die Höhen der Referenzpunkte optisch unter Nutzung eines Nivelliergeräts und einer Messlatte ermittelt.

4 Flugdurchführung

Vor Flugbeginn im Juni 2014 wurden rote Schilder, die Referenzpunkte, auf dem Ge-lände gleichmäßig verteilt und am Boden befestigt. Die Mittelpunkte der Schilder wur-den mit dem NEO7P GPS Empfänger 3D vermessen. Zusätzlich kamen das Nivellierge-rät und die Messlatte zur Anwendung, um die Bodenhöhen der Referenzpunkte mög-lichst exakt zu bestimmen.

Das Autopilotensystem Paparazzi ist nach Nennung der Kameradaten, Brennweite und Chipfläche eigenständig in der Lage, Flugpfade (Meander) und die Auslösepunkte der Kamera zu bestimmen, wenn zuvor eine Begrenzung des Fluggebietes angegeben wurde, um das Gebiet vollautomatisch abzufliegen. Gestartet und gelandet wird per Funkfernsteuerung wie bei einem RC-Modellflugzeug. Diese Betriebsart ist jederzeit über einen Schalter an der Fernsteuerung wählbar. Die Bodenstation erleichtert die Flugplanung, da die Flugmission durch Setzen von Wegpunkten auf einer Abbildung des Fluggeländes sowie Sicherheitsbegrenzungen definiert wird. Wichtige Meldungen werden durch Klartextansagen abgegeben. Die gesamte Flugmission kann vor Flug-durchführung simuliert werden (Abbildung 7). Ein Flug erfordert bei einer ortsfesten Laptop-Bodenstation immer zwei Personen, den RC-Piloten, der jederzeit eingreifen kann und immer Sichtkontakt zum Fluggerät hält, und den Bediener der Bodenstation.

Beide müssen sich durch Zurufe verständigen und absprechen.

Abbildung 7: Ergebnisse des Simulationslaufes eines vollständigen Fotofluges (Satellitenfotos des Google-Dienstes)

Das Grabungsgelände befindet sich luftfahrtrechtlich in einer sehr exponierten Lage nur ca. 650 m vom Aufsetzpunkt des Verkehrsflughafens Bremen entfernt (Abbildung 8).

Eine Vorabfrage, ob eine Befliegung in der Flugverbotszone (innerhalb von 1,5 km von der Flugplatzbegrenzung und in der Kontrollzone) genehmigungsfähig sei, ergab die Antwort, dass das der diensthabende Fluglotse im Einzelfall und nach eigenem Ermes-sen entscheiden würde. Am Flugtag wurde mit dem diensthabenden FluglotErmes-sen in ei-nem Telefongespräch folgendes Verfahren vereinbart: Der Fluglotse erteilt uns telefo-nisch eine Freigabe zum Starten. Falls wir fliegen und sich Großverkehr zur Landung per Funk anmeldet, müssten wir unverzüglich innerhalb von 1-2 Minuten landen. Dieses würde uns telefonisch mitgeteilt. Diese Verfahrensweise haben wir mehrfach angewen-det. Am Nachmittag hatte sich der Flugverkehr so weit beruhigt, dass wir die Fotoflüge mit 277 Fotos erfolgreich abschließen konnten.

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Abbildung 8: Paparazzi-Replay mit den gespeicherten Daten eines abgebrochenen Fotofluges und die exponierte Lage des Untersuchungsgebietes, begrenzt durch die Punkte 1-4 in der Nä-he des Verkehrsflughafen Bremen (Satellitenfotos des Google-Dienstes)

5 Flugauswertung

Für die Auswertung der Fotos, der Referenzpunkte und aller 3D Koordinaten wurde die Pix4Dmapper-Software (P^IX4D 2014) verwendet. Der erste Lauf zur Ausfilterung von Fehlern benötigte 11 Stunden auf einem Desktop-PC. Die Verrechnung der gefilterten Daten erforderte einen vierstündigen Rechnerlauf auf einem Laptop (2,5 Stunden auf einem Desktop-PC) und lieferte ein hochaufgelöstes 3D-Modell mit 2 cm Auflösung der landwirtschaftlichen Nutzfläche.

Abbildung 9: Referenzpunkt G6 auf Ausschnittvergrößerungen

Abbildung 10: Orthomosaik und das digitale Oberflächenmodell vor der Entfernung fehlerhafter Bildpunkte (Desinfektion), erstellt mit Pix4Dmapper

Eine Tabelle, die die Auswertung der Referenzpunkte auflistet, zeigt Abbildung 11.

Auffällig sind einige Ausreißer, mutmaßliche Ablesefehler im Feld oder Eingabefehler.

Weiter haben die X-Koordinaten einen höheren Fehler als die Y-Koordinaten. Der Auf-wand, die Höhenkoordinaten mit dem Nivelliergerät zu bestimmen, hat sich gelohnt.

Abbildung 11: Die Daten der verwendeten Referenzpunkte erstellt mit Pix4Dmapper

Ein Beispiel, wie das digitale 3D-Modell ausgewertet werden kann, zeigt Abbildung 12.

Der Bildpunkt ist auf insgesamt 14 Fotos enthalten. Weiter ist in diesem Bild zu erken-nen, dass die übermittelten Koordinaten der Fotos aus dem Fluggerät (blaue Kugeln) nicht immer mit den durch die Software (grüne Kugeln) ermittelten Koordinaten überein-stimmen. Der Einfluss des Windes ist auch festzustellen, da einige Fotos nicht parallel zur Erdoberfläche aufgenommen wurden. Erwartungsgemäß wurden der niedrigste

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denpunkt im Osten des Feldes mit 2,87 m, der höchste auf dem Stichweg zum Gebäu-de in Gebäu-der Feldmitte mit 5,30 m und Gebäu-der niedrigste Punkt im Entwässerungsgraben mit 1,69 m ermittelt. Zur Auswertung wurden 123 Fotos manuell ausgewählt, von denen 92% zur Erstellung des Modells genutzt und der Rest automatisch verworfen wurden.

Abbildung 12: Auswertung des 3D-Modells, erstellt mit Pix4Dmapper. Der ausgewählte Punkt hat eine ermittelte Höhe von 3.45 m. Im Hintergrund ist die Stichgrabung zu sehen.

6 Ausblick

Die Erfahrungen in diesem Projekt haben zu Weiterentwicklungen geführt. Abbil-dung 13 zeigt die nun verwendete Hardware. Der aerodynamisch hochwertige Nurflüg-ler verfügt über eine Spannweite von 2 m, einer Startmasse von 2600 g, eine maximale Flugzeit von 1,5 Stunden und ist mit zwei Kameras (Tageslicht und Nahes Infrarot) aus-gestattet. Die Funkfernsteuerung (Prototyp) übernimmt auch die Aufgaben der Boden-station und der Telemetiereinrichtungen. Damit ist ein sicherer und gesetzeskonformer Flugbetrieb nur mit den Piloten möglich. Eingesetzt wird das System in der Landwirtstaft für Fotoflüge zur Erstellung von Vegetationsindizes und zur Schadensbegutachtung für versicherte Flächen. Der Multikopter wird für kleinere Flächen eingesetzt.

Abbildung 13: Verbesserte Hardware für Fotoflüge (LUFTFOTOS24 2015)

Danksagung

Wir bedanken uns bei den Autoren des Paparazzi-Projektes, den Urhebern der genutz-ten freien Software (für die kosgenutz-tenfreie Bereitstellung der Ergebnisse ihrer Arbeit), dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (für die kostenfreie Bereitstellung der GPS-Korrekturdaten), bei der Flugsicherung Bremen für die kooperative Zusammenarbeit, bei der Hochschule Bremen, dem Forschungscluster Luft- und Raumfahrt, für die finan-zielle Förderung dieses Projektes und der Vorläuferprojekte sowie bei der DFG.

Literaturverzeichnis

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MEYER T. (2009): Implementierung, Test und Dokumentation eines Verfahrens zur Erhöhung der Genauigkeit mit zwei GPS-Empfängern, Bachelorthesis, Hochschule Bremen, Fakultät Natur und Technik, August 2009

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Multikopter und Infrarottechnologie