Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis   

Inhaltsverzeichnis.   I

Abbildungsverzeichnis.   II

Abk  ürzungsverzeichnis  III

1.  Einleitung.  1

2.  Aufgabenstellung.  3

3.  Arbeitsabläufe  4

3.1  Ablauf zur Erstellung der Kanäle und Hausanschlüsse  4

3.2  Vermessung neu gebauter Kanäle  6

3.3  Probleme beim Wiederfinden der Hausanschlüsse  7

3.4  Lösungsansätze.  8

4.  Grundlagen zu mobilen GPS-gestützten GIS  11

4.1  Global Positioning System (GPS)  11

4.1.1  Messprinzipien  13

4.1.2  SAPOS der deutschen Landesvermessung  17

4.2  Geographische Informationssysteme  20

4.2.1  Grundlegender Aufbau eines GIS  20

4.2.2  Exkurs zum Verzerrungsproblem  23

4.3  Aufbau und Anforderungen an ein mobiles GPS-gestütztes GIS.  27

4.3.1  Hardware.  28

4.3.2  Software  30

4.3.3  Daten.  32

5.  Protokoll zum Feldversuch  33

5.1.  Versuchsaufbau  33

5.2.  Versuchsvorbereitung  35

5.3.  Auswertung des Feldversuches.  40

5.4  Fehleranalyse  44

6.  Kostenanalyse.  45

7.  Rechtliche Rahmenbedingungen  51

8.  Aussichten.  53

9.  Zusammenfassung  54

Erkl  ärung  55

Danksagung   56

Quellenverzeichnis   57

Anlagen   60

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Vermessung von Hauptkanal und Hausanschlüssen  

Abbildung  2: Prinzip des GPS  

Abbildung  3: Prinzip des DGPS.  

Abbildung  4: Unterschiede zwischen Ellipsoid, Geoid  

Abbildung  5: Prinzipskizze der Rucksacklösung mit dem RS530.  

Abbildung  6: Bildschirmausschnitt im Modus Absteckung  

Abkürzungsverzeichnis III

Abkürzungsverzeichnis

AdV Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltung AfA Absetzung für Abnutzung ALB ALK A-S Anti-Spoofing ATKIS Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem ATV Abwassertechnische Vereinigung AVH Abwasserverband Holtemme DGPS differentielles GPS EPS Echtzeit-Positionierungs-Service ESA European Space Agency ETRS 89 European Terrestrial Reference System 1989 FKP Flächenkorrekturparameter GHPS Geodätischer Hochpräziser Positionierungs-Service GIS Geographical Information System GPPS Geodätischer Präziser Positionierungs-Service GPS Global Positioning System GRS 80 Geodetic Reference System 1980 (Nordamerika) GSM Global Standard for Mobile Communication HEPS Hochpräziser Echtzeit-Positionierungs-Service LLVermG Landesamt für Landesvermessung und

Geodäsie NAVSTAR-GPS Navigations Satellite Timing And Ranging-Global Positioning System RINEX Receiver Independent Exchange Format RTCM Radio Technical Commission for Maritime Service RTK Real Time Kinematics S/A Selective Availability SAPOS Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung VRS Virtuelle Referenzstation VuKV Vermessungs- und Katasterverwaltung WGS'84 Weltweites Geodätisches System 1984

Einleitung 1

1. Einleitung

Mit Hilfe von mobilen GPS-gestützten Feldrechnern kann die Arbeit von Außendienstmitarbeitern von Netzbetreibern wie Stromversorgung, Trink-wasserversorgung oder Abwasserentsorgung wesentlich erleichtert werden. Im Vordergrund stehen hierbei die Erfassung neuer Daten sowie die Kontrolle und Aktualisierung bereits bestehender Datenbestände. Diese Hypothese soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Grundlage für diese Arbeit bildete ein Praktikum im Abwasserverband Holtemme in Wernigerode - Ortsteil Silstedt. Der Aufgabenbereich des Abwasserverbands Holtemme (AVH) liegt in der Ableitung und Behandlung des Regen- und Schmutzwassers. Dazu baut und betreibt der Ver-band öffentliche Anlagen und Einrichtungen wie z.B. Schmutzwasserhauptleitungen und Schmutzwasserhausanschlüsse. Das Schmutzwasser wird der zentralen Kläranlage in Silstedt, zum Zwecke der Abwasserbe-handlung, zugeführt. Verbandmitglieder sind die Städte Wernigerode, Ilsenburg und Derenburg sowie die Gemeinden Darlingerode, Drübeck, Heudeber, Reddeber, Langeln, Schmatzfeld, Veckenstedt und Wasserleben.

Zunächst wurden die Arbeitsschritte zur Erstellung der Bestandspläne von Hausanschlüssen für Schmutz- und Regenwasser untersucht. Erkannte Schwachstellen und mögliche Ansatzpunkte zur Verbesserung bei der Erfassung, Kontrolle und Aktualisierung werden in der vorliegenden Arbeit dargestellt. Dazu werden die Arbeitsabläufe zur Errichtung neuer Abwasserkanäle und nachträglich erstellter Hausanschlüsse und Zweitanschlüsse bis hin zur Erstellung des Bestandsplanes bzw. des Kanalkatasters dargestellt. Es wird aufgezeigt, wie insbesondere durch den Einsatz mobiler GPS-gestützter Vermessungssysteme und der Auswertung in einem Geoinformationsystem bzw. Computer-Aided-Design-System eine Verbesserung bei der Aufnahme, Bearbeitung und Verwaltung erreicht werden kann.

Um ein Grundverständnis für die Arbeit mit einem mobilen GPSgestützten GIS zu vermitteln, beschäftigt sich Kapitel 4 mit den Grundla- gen zu GPS und GIS. Hierbei wird insbesondere auf die Funktionsweise

Einleitung 2

und Messprinzipien des Global Positioning Systems eingegangen. Weiterhin werden Grundlagen des Fachgebietes der Geoinformatik und damit eines GIS beschrieben. Zur Vermessung von Kanälen mit Hilfe von GPS und einem GIS ist ein gewisses Grundverständnis notwendig, in welcher Beziehung die GPS-bestimmten Positionen zu herkömmlichen Koordinatensystemen stehen. Daher wird in diesem Kapitel auch auf das Verzerrungsproblem bei der raumbezogenen Darstellung auf einer Ebene eingegangen.

Des Weiteren wurde ein Feldversuch durchgeführt, welcher in Kapitel 5 ausführlich dargestellt und ausgewertet wird. Hierbei handelt es sich um eine GPS-gestützte Vermessung von Hausanschlüssen mit Hilfe des geodätischen Zweifrequenz-Empfängers für den Echtzeitbetrieb, welcher von der Firma Leica Geosystems für die Dauer des Feldversuches kostenlos zur Verfügung gestellt wurde. Zur Erstellung eines Kanalkatasters wurde die Software MegaCAD verwendet.

Um aufzuzeigen, welche finanziellen Einsparmöglichkeiten bestehen bzw. welche Mehrkosten entstehen, wird in Kapitel 6 eine Kostenanalyse durchgeführt.

Rechtliche Rahmenbedingungen, die bei der digitalen Bestandsaufnahme zu beachten sind, werden im 7. Kapitel aufgezeigt. Hauptsächlich wird dabei auf den Datenschutz eingegangen.

Zur Bearbeitung dieses Themas wurde hauptsächlich auf Informationen aus dem Internet zurückgegriffen. Zur Recherche im Internet wurde die Suchmaschine Google (www.google.de) verwendet. Weiterhin wurde Literatur aus der Bibliothek der Hochschule Harz in Wernigerode und Halberstadt genutzt. Literaturquellen sind in der Arbeit mit eckigen Klammern gekennzeichnet. Auf Rechercheergebnisse, die nicht zum Erfolg führten, wird hierbei nicht eingegangen.

Aufgabenstellung 3

2. Aufgabenstellung

Die Erfassung, Auswertung, Kontrolle und Aktualisierung von Daten zur Erstellung des Datenbestandes bildet die Grundlage für ein wirtschaftliches Arbeiten eines Abwasser entsorgenden Unternehmens. Im Folgenden soll untersucht werden, ob und in welcher Form sich diese Arbeitsschritte optimieren lassen. Insbesondere sollen dabei Einsatzmöglichkeiten mobiler GPS-gestützter Geoinformationssysteme analysiert werden. Um zu ermitteln, an welcher Stelle der Arbeitsabläufe ein Einsatz von GPS-gestützten Geoinformationssystemen wirtschaftlich sinnvoll ist, ist es notwendig die zugehörigen Arbeitsabläufe zu erfassen und aufzuzeigen. Weiterhin ist eine Analyse zu den Genauigkeitsanforderung an eine GPSgestützte Vermessungseinrichtung zur Erfassung der Hausanschlüsse zu erstellen. Um den Einsatzes eines mobiler GPS-gestützter Feldrechners bewerten zu können, ist es notwendig einen Feldversuch durchzuführen und diesen auszuwerten. Weiterhin ist eine Wirtschaftlichkeitsanalyse zu erstellen, d.h. es ist zu ermitteln welche finanziellen Einsparmöglichkeiten durch den Einsatz GPS-gestützter Feldrechner zur Bestandsaufnahme der Hausanschlüsse für Schmutz- und Regenwasser bestehen.

Zusammenfassend ergeben sich folgende Aufgabenstellungen:

Arbeitsabläufe - Erstellung der Kanäle und Hausanschlüsse 4

3. Arbeitsabläufe

3.1 Ablauf zur Erstellung der Kanäle und Hausanschlüsse

Nach §4 der Abwasserbeseitigungssatzung des Abwasserverbands Holtemme (AVH) ist ein Grundstückseigentümer verpflichtet, alles anfallende Abwasser (Schmutz- und Niederschlagswasser) der öffentlichen Abwasseranlage zuzuführen, sofern keine Einleitungsbeschränkungen bzw. Befreiungen vom Anschluss und Benutzerzwang bestehen. [AVH: Web-Link] Im Folgenden soll der Ablauf beschrieben werden, der notwendig ist, das öffentliche Kanalnetz, d.h. Hauptkanäle und Hausanschlüsse, für die Ableitung von Schmutz- und Regenwasser, zu verlegen. Nach dem Beschluss über zeitliche und örtliche Baumaßnahmen wird ein Ingenieurbüro mit den weiteren Planungen der Hauptkanäle beauftragt. Hier werden ebenfalls die Kosten, unter Berücksichtigung eventueller Fördergelder, kalkuliert und die Ausführungspläne für die Hausanschlüsse erstellt. Um die Hausanschlüsse planen zu können, werden die jeweiligen Grundstücksbesitzer angeschrieben, welche nun aufgefordert werden zu beschreiben an welcher Stelle die Hausanschlüsse gelegt werden sollen. Dazu wird Ihnen vom AVH ein Datenblatt zur Festlegung bzw. Abstimmung von Hausanschlüssen zugesandt, welches diese, entsprechend des Vordruckes, auszufüllen und zurückzusenden haben (siehe Anlage A1). Die einzutragenden Daten sind die gewünschte ungefähre geometrische Lage sowie die Tiefe der Hausanschlüsse. Diese Daten werden mit den gegebenen Möglichkeiten (z.B. Tiefe des Hauptschachtes, schon vorhandene Rohre und Leitungen) verglichen und soweit wie möglich realisiert. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass alle Kosten der Hausanschlüsse vom Hauptkanal bis zur Grundstücksgrenze vom AVH, jedoch von der Grundstücksgrenze bis zum Haus vom Hausbesitzer zu tragen sind. Als weiterer Schritt erfolgt die Ausschreibung der Baumaßnahmen durch das Ingenieurbüro im Auftrag des AVH und daraufhin die Auswahl der ausführenden Baufirma. Der Grundstückseigentümer wird nun aufgefordert, einen Entwässerungsantrag zu stellen. Mit dem Verle- gen der Hauptkanäle und Hausanschlüsse, bis zur Grundstücksgrenze,

Arbeitsabläufe - Erstellung der Kanäle und Hausanschlüsse 5

wird anschließend begonnen. Die Baufirma hebt den Boden aus, verlegt die Rohre und verfüllt die Gräben wieder. Zum finanziellen Abrechnen wird von der Baufirma ein so genanntes Aufmaßblatt erstellt. Dieses enthält Daten wie Aushublänge, Aushubmenge, Materialien etc. und dient der Berechnung der entstandenen Kosten und dem Nachweis der erbrachten Leistung. Hierbei werden auch die Längen der verlegten Hausanschlüsse noch einmal ausgemessen. Ein Beispiel für ein Aufmassblatt ist in Anlage A2 dargestellt.

Die Kanäle werden unter Druck gesetzt um eventuelle Undichtheiten erkennen zu können. Weiterhin werden zur Fehlererkennung Befahrungspläne erstellt, d.h. die Hauptkanäle werden mit Hilfe einer Kamera abgefahren. Hierbei werden zugleich die Abstände von einem Schacht zum nächsten bzw. die Abstände vom Schacht zum jeweiligen Hausanschluss dezimetergenau gemessen. Die Daten aus den Aufmaßblättern werden zur Erstellung des Kanalkatasters bzw. des Bestandsplanes herangezogen.

Diese Tätigkeiten werden von einem Ingenieur-Büro ausgeführt. Anschließend werden die Kanäle und Hausanschlüsse und damit alle Rechte und Pflichten offiziell dem AVH übergeben. Nach Übernahme durch den AVH werden die jeweiligen Grundstücksbesitzer aufgefordert, ihre Abwasseranschlüsse an das öffentliche Netz anzuschließen, wofür drei Monate zur Verfügung stehen. Nach Endabnahme der angeschlossenen Häuser durch einen Mitarbeiter der AVH, darf der Besitzer sein Abwasser in das öffentliche Abwassernetz einleiten. Nach der ersten Möglichkeit zur Einleitung von Abwasser ist der Grundstücksbesitzer gebühren- und beitrags- pflichtig und erhält einen Beitragsbescheid [AHV: Web-Link].

Arbeitsabläufe - Vermessung neu gebauter Kanäle 6

3.2 Vermessung neu gebauter Kanäle

Wie schon beschrieben werden die Vermessungen der Hauptkanäle und der Hausanschlüsse von einem Ingenieur-Büro durchgeführt. Während der Kamerabefahrung zum Zwecke der Kontrolle auf vorhandene Schäden werden außerdem die Hauptkanäle ausgemessen. Hierzu wird ein Befahrungsprotokoll und ein Video erstellt. Anlage A3 zeigt ein Protokoll zur Kamerabefahrung. In diesem Protokoll sind neben eventuellen Mängeln auch die Entfernungen von einem Schacht zum nächsten und vom Schacht zu den entsprechenden Abzweigungen für Hausanschlüsse vermerkt.

Weiterhin müssen die Längen der Hausanschlüsse, d.h. die Entfernungen vom Hauptkanal bis zur Grundstücksgrenze, ermittelt werden. Hierbei greift man auf konventionelle Methoden der Vermessung zurück. Die Daten werden aus dem Aufmaßblatt entnommen. Die so gewonnenen Daten können anschließend in ein Kanalkataster übertragen und somit Be-standspläne angefertigt werden.

Das Kanalkataster wird mit Hilfe des CAD-Programms MegaCAD erstellt. Auf dem Kanalkataster sind die Hauptkanäle und Hausanschlüsse für Schmutz- und Regenwasser eingezeichnet, wobei Regenwasserkanäle blau und Schmutzwasserkanäle rot gekennzeichnet sind. Kanäle, Schächte und Hausanschlüsse sind durch eine neunstellige Nummer gekennzeichnet. Das Kanalkataster enthält weiterhin folgende Angaben: Straßennamen, Hausnummern, Entfernungen der Kanalschächte, Entfernungen von Schächten zu Hausanschlüssen, Länge der Hausanschlüsse, teilweise die Tiefe der Hausanschlüsse, die Deckelhöhe, Sohlentiefe jeweils relativ zu Höhe über Höhe Höhenull und die Tiefe der Schächte. Weiterhin werden Angaben zum Material aufgezeigt. Regenwasserkanäle bestehen zumeist aus Beton (B) und Schmutzwasserkanäle zumeist aus Steinzeug (STZ). Angaben zur Fließrichtung und dem jeweiligen Durch- messer der Hauptkanäle sind ebenfalls dem Bestandsplan zu entnehmen.

Arbeitsabläufe - Probleme beim Wiederauffinden der Hausanschlüsse 7

3.3 Probleme beim Wiederauffinden der Hausanschlüsse

Im Folgenden sollen Vorgehensweisen und Probleme bei der Wiederauffindung von Hausanschlüssen erläutert werden. Das Wiederauffinden von Hausanschlüssen an der Grundstücksgrenze ist problematisch, wenn längere Zeit zwischen der Verlegung des öffentlichen Netzes und dem Anschluss des Grundstückes verging. Dies kann der Fall sein, wenn das öffentliche Kanalnetz zwar schon gebaut wurde, aber auf dem entsprechenden Grundstück noch nicht mit dem Bau eines Gebäudes begonnen wurde oder der Bau sich verzögert. Durch Absetzung der Verfüllung über dem ehemaligen Graben und Pflanzenbewuchs kann der Verlauf des Grabens nicht mehr ohne Weiteres nachvollzogen werden. Weiterhin werden die Straßen wieder in ihren alten Zustand gebracht oder neu gebaut. Es wird also eine Fahrbahnschicht aufgebracht, so dass nur noch die Kanaldeckel gesehen werden können. Um eine möglichst kleine Suchschachtung zu erzielen, muss die Lage des Endstückes, auch Muffe genannt, des Hausanschlusses ermittelt werden. Dazu stehen mehrere Hilfsmittel zur Verfügung. Diese sind insbesondere analoge und digitale Kanalkataster bzw. Bestandspläne, das Datenblatt zur Festlegung bzw. Abstimmung von Hausanschlüssen und das Aufmaßblatt. Besonders schwierig ist das Wiederauffinden von Kanälen und Hausanschlüssen, wenn keinerlei oder nur unzureichende Informationen vorliegen. Liegen jedoch Kanalkataster bzw. Bestandspläne vor, können diese genutzt werden.

Gründe für Probleme liegen darin, dass zwar die jeweiligen Längen bekannt sind, jedoch die Winkel der Hausanschlüsse zu den Hauptkanälen nicht bekannt sind. In der Regel soll dieser Winkel 45 ^O betragen, was aber nicht immer eingehalten werden kann. So können ungünstige Unter-grundverhältnisse, welche zuvor nicht bekannt waren, eine Schachtung nach dem Ausführungsplan verhindern. Liegen im Bereich der vorgesehenen Schachtung schon andere Leitungen wie Strom-, Gasleitungen, etc., so kann dies ebenfalls zu einer Planänderung führen. Es kommen dann andere Winkelelemente (z.B. 30 ^O ) zum Einsatz bzw. es werden mehrere Winkelelemente kombiniert. Diese Winkel werden jedoch im Bestandsplan

Arbeitsabläufe - Probleme beim Wiederauffinden der Hausanschlüsse 8

nicht erfasst. So kann es dazu kommen, dass bei der Notwendigkeit eine Muffe wiederzufinden, an falscher Stelle gesucht wird. Abbildung 1 zeigt die Prinzipskizze zur Vermessung der Hausanschlüsse. Eine weitere Schwachstelle in der Erstellung von Bestandsplänen ist darin zusehen, dass teilweise Maße aus den Aufmaßblättern des durchführenden Bauunternehmens einfach übernommen werden. So kann es vorkommen, das die Maße aus den Aufmaßblättern von den tatsächlichen Maßen abweichen. So kam es vor, dass Längenangaben eines Hausanschlusses eingetragen wurde, welche die Länge des Abstandes vom Hauptkanal zur Grundstücksgrenze, in diesem Fall die Hausmauer, deutlich überstieg. Ist die Lage des Hausanschlusses, aus den genannten Gründen, nicht genau lokalisierbar, kommt es teilweise zu längeren Recherchen in den Archiven des AVH.

3.4 Lösungsansätze

Wie im letzten Kapitel beschrieben, ist das größte Problem der oftmals unbekannte Winkel vom Hausanschluss zum Hauptkanal. Weiterhin können aus den Aufmassblättern und dem Datenblatt zur Festlegung bzw. Abstimmung von Hausanschlüssen Daten entnommen werden. In den Datenblättern sind Angaben zur Entfernung der Hausanschlüsse gemacht. Solche Angaben können z.B. „ der Hausanschluss liegt ca. 2,4 m rechts von der linken Hausecke“ sein. Probleme können hierbei auftreten, weil diese Angaben haus- bzw. grundstücksbezogen sind. Nach Umbaumaßnahmen sind die Entfernungsangaben also nicht mehr gültig. Ein Lösungsansatz ist, dass Maßangaben nicht mehr im Bezug auf das Grundstück bzw. das Gebäude, sondern in Bezug auf den Hauptkanal gemacht werden. Der Vorteil hierbei ist, dass sich zum Einen Längenmaße nur auf die AVH-eigenen Bestände, d.h. die Kanäle beziehen, und zum Anderen diese sich über einen langen Zeitraum nicht ändern. Um die Abmaße auf das Hauptkanalnetz beziehen zu können, sollen folgend mögliche Lösungsansätze aufgezeigt werden. Zum Einen könnten die genauen Winkelmaße vom Hauptkanal zum Hausanschluss aufgenommen werden. Eine weitere unkomplizierte Mög-

Arbeitsabläufe - Lösungsansätze 9

lichkeit wäre das Anlegen eines Lotes. Das Lot ist senkrecht zum Hauptkanal anzulegen. Durch Parallelverschiebung wird das Lot so verschoben, dass es das Ende des Hausanschlusses an der Grundstücksgrenze schneidet. Folgend ist der Abstand vom Abzweig des Hausanschlusses am Hauptkanal zum Schnittpunkt von Lot und Hauptkanal zu ermitteln und in den Bestandsplan zu übernehmen. Das Messprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt.

Ein weiterer Ansatz ist das Vermessen der Hausanschlüsse mit Hilfe eines mobilen GPS-gestützten Geoinformationssystems. Hierbei sollen insbesondere Hausanschlüsse betrachtet werden, die nachträglich an ein schon bestehendes Kanalnetz angeschlossen werden. Zur Errichtung eines neuen Kanalnetzes wird ein Ingenieurbüro beauftragt. Wie schon beschrieben ist dieses bis zur Übergabe an den AVH für die Errichtung zuständig. Dies schließt auch die Bestandsaufnahme und die Weiterführung des Bestandsplans ein. Ansatzpunkt ist die Forderung an das ausführende Ingenieurbüro, zusätzlich zu den aufgenommenen Daten, die Koordinaten der entsprechenden Messpunkte in digitaler Form zur Verfügung zu stellen. Dies ist insbesondere erforderlich, um ein Wiederauffinden der Haus- anschlüsse mit Hilfe eines mobilen GPS-gestützten GIS zu ermöglichen.

Arbeitsabläufe - Lösungsansätze 10

Das Vermessen und die Aktualisierung der Bestandspläne für nachträglich anzuschließende Hausanschlüsse ist Aufgabe des AVH. Hierbei soll die Aufnahme der Daten unmittelbar nach Anschluss der Hausanschlüsse erfolgen und gleichzeitig der Bestandsplan aktualisiert werden. Muss ein Hausanschluss wegen Reparaturmaßnahmen oder Ähnlichem freigelegt werden, so ist auch hier eine Erweiterung des Bestandsplans erforderlich. D.h., die schon vorhandenen Daten müssen aktualisiert, digitalisiert und die entsprechenden Koordinaten hinzugeführt werden. Im Folgenden soll die Führung eines Bestandsplanes mit Hilfe eines mobilen GPS-gestützten GIS erläutert werden. Dazu wird zunächst auf grundlegende Eigenschaften eines GPS-gestützten GIS eingegangen. Weiterhin wird ein durchgeführter Feldversuch beschrieben und ausge- wertet.

Grundlagen - Global Positioning System 11

4. Grundlagen zu mobilen GPS-gestützten GIS

4.1 Global Positioning System (GPS)

Das Global Positioning System, kurz GPS, ist ein satellitengestütztes elektronisches Navigationsinstrument, mit welchem Positions- und Geschwindigkeitsbestimmungen auf der Erde durchgeführt werden können. Es werden Informationen zu Raum-Position, Geschwindigkeit und Zeit an den GPS-Nutzer weitergegeben. Dabei ist die Funktionalität unabhängig von Wetterbedingungen und dem Bewegungszustandes des Nutzers. Entwickelt wurde es vom Verteidigungsministerium der USA. Ursprünglich lag der Nutzen dieses Systems nur im militärischen Bereich. Mittlerweile werden GPS-Anwendungen in zahlreichen nicht-militärischen Bereichen erfolgreich eingesetzt. Zivile Einsatzgebiete sind unter anderem Landvermessungen, Geodäsie und Navigation von z.B. Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Zur Zeit stehen zwei Navigationssysteme zur Verfügung. Das US-amerikanische NAVSTAR-GPS und das GLONASS-System der Russischen Förderation. Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA entwickelt zur Zeit zusammen mit der Europäischen Union ein GPS-System, welches voraussichtlich im Jahre 2008 betriebsbereit sein wird. Dieses Satellitennavigationssystem namens GALILEO soll ein komplett ziviles nutzbares System werden und stellt eine direkte Konkurrenz zum NAVSTAR-GPS dar, welches voll und ganz vom amerikanischen Militär überwacht wird. Im Folgenden soll nur das NAVSTAR-GPS betrachtet werden, da dieses sich im Laufe der Zeit zum Standard etabliert hat. [Schönfeld: Web-Link; Ehrentraut: Web-Link; Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link; Astronews: Web-Link]

Das Global Positioning System besteht im wesentlichen aus drei Segmenten. Diese sind:

Grundlagen - Global Positioning System 12

Beim Weltraumsegment handelt es sich um 24 ständig betriebsbereite, Satelliten in sechs Erdumlaufbahnen, welche in einer bestimmten Konstellation zu einander stehen. Die Satelliten umkreisen in einer Höhe von ca. 20.200 km und einem Neigungswinkel von 55 ^O relativ zum Äquator innerhalb von 12 Stunden einmal die Erde. Die Satelliten sind so angeordnet, dass ein Nutzer jederzeit und überall auf der Erde Kontakt zu mindestens vier Satelliten hat. Alle Satelliten senden permanent Informationen betreffs Zeit und Position zum Nutzer.

Das Kontrollsegment besteht aus Einrichtungen am Boden, welche die Satelliten verfolgen, ihre Umlaufpositionen aktualisieren und ihre Uhren kalibrieren und synchronisieren. Es handelt sich hierbei um das Herzstück des gesamten Systems, auch wenn es für den Nutzer nicht sichtbar ist. Insgesamt besteht das Kontrollsegment aus fünf Überwachungsstationen, die auf der gesamten Erde verteilt sind. Vier Stationen dienen als Empfänger für die Daten, welche von den Satelliten ausgestrahlt werden. Sie leiten die Signale zu der fünften, der Master Control Station weiter. Von hier aus werden die Satelliten gesteuert, mit Informationen versorgt und ihre Daten gegebenenfalls korrigiert.

Das Nutzersegment besteht im wesentlichen aus dem GPS-Empfänger und dem Nutzer selbst. Die von den Satelliten gesendeten Signale werden vom GPS-Empfänger, einem speziellen Radioreceiver, aufgenommen. Anhand der empfangenen Informationen kann nun die Position berechnet werden.

[Ehrentraut: Web-Link; Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link]

Grundlagen - Messprinzipien 13

4.1.1 Messprinzipien

Im Wesentlichen unterscheidet man zwei Messprinzipien. Zum Einen das Navigationsmessprinzip (GPS) und zum anderen das differenzielle Global Positioning System (DGPS). Im Folgenden sollen beide Prinzipien in kurzer Form erläutert werden.

Das Navigationsmessprinzip bildet die Grundlage der Standortbestimmung durch GPS. In Abbildung 2 wird das Navigationsmessprinzip dargestellt. Hierbei werden sogenannte Pseudoentfernungen zwischen dem Nutzer und mindesten vier Satelliten gemessen. Grundlage ist hierbei die Idee des mehrfachen Bogenschlages. Es ist bekannt, dass die Position eines Empfängers auf der Oberfläche einer imaginären Kugel liegt. Mittelpunkt der Kugel ist der Satellit. Die Empfängerposition kann durch den Schnitt dreier imaginärer Bogenschläge bestimmt werden. Der Zeitpunkt des Aussendens des Signals am Satelliten und der Zeitpunkt des Empfangs dieses Signals beim Empfänger werden miteinander verglichen. Die Geschwindigkeit des gesendeten Signals (Lichtgeschwindigkeit) und die Zeit zwischen Aussenden und Empfangen der Signale sind bekannt. In Folge dessen ist die Entfernung zwischen Satelliten und Empfänger berechenbar. Die Uhren im Satelliten und im Empfänger laufen jedoch nicht 100%-ig synchron. Daher kommt es zu einem systematischen Fehler, dem Synchronisations- bzw. Uhrfehler. Auf diesen Fehler ist der Begriff Pseudoentfernung zurückzuführen. Bei der Ermittlung der Entfernung des Empfängers und des Satelliten über die Signallaufzeit, muss der Uhrfehler mit berücksichtigt werden. Da die Satellitenkoordinaten in einem geozentrischen System (WGS 84) bekannt sind, kann die Standortbestimmung des Empfängers durch simultane Messung von Pseudoentfernungen zu vier Satelliten erfolgen. Zur zweidimensionalen Ortsbestimmung sind mindestens drei, zur dreidimensionaler Ortsbestimmung mindestens vier Satelliten notwendig. Moderne GPS-Empfänger sind in der Lage, Signale aller sichtbaren Satelliten zu verarbeiten. Dies ermöglicht schnellere und genauere Messverfahren. Die Ermittlung des Standortes erfolgt praktisch in Echtzeit. [Seeber/Schmitz: Web-Link; Strobel1995; S.108]

Grundlagen - Messprinzipien 14

[Quelle: Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link]

Die Übertragung der Signale erfolgt über sogenannte Trägerwellen. Die L1-Trägerwelle wird mit 1575,42 MHz gesendet. Ihr sind zwei Codes aufmoduliert. Der C/A-Code und der P-Code. Der L2-Trägerwelle wird der L2 P-Code aufmoduliert. Sie wird mit 1227,60 MHz gesendet. [Leica Geosystems2000]

Die Genauigkeit der Positionbestimmung mit Hilfe des GPS beträgt mittlerweile auch für die zivile Nutzung ca. 15 m. Im wesentlichen ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung von folgenden Fehlern abhängig:

[Astronews: Web-Link; Seeber/Schmitz: Web-Link]

Grundlagen - Messprinzipien 15

Beim Satellitenuhrenfehler handelt es sich um einen künstlich vom US-Militär erzeugten Fehler, der die Zeitgleichheit zwischen Satellit und Empfänger leicht verzerrt. Dieser Vorgang wird Selective Availability (S/A) genannt. S/A kann wahlweise vom US-Militär an- bzw. ausgeschalten werden. Ist S/A angeschaltet, wird die Positionsgenauigkeit auf 15 bis 100m herabgesetzt. Die Verschlüsselung des P-Codes in den Y-Code wird Anti-Spoofing (A-S) genannt. Es ist also nötig den Y-Code zu entschlüsseln, was zumeist nur militärischen Empfängern möglich ist. Aber auch zivil genutzte Empfänger sind heute in der Lage, den P-Code zu nutzen. [Leica Geosystems2000]

Die Genauigkeit des GPS reicht für Anwendungen wie Grundlagenvermessungen oder Katastervermessungen bei weitem nicht aus. Hierzu wurde ein Messprinzip entwickelt, dass Differenzielles Global Positioning System, kurz DGPS, genannt wird.

Bei DGPS kommen mindestens zwei GPS-Empfänger, welche gleichzeitig Signale von mindestens vier identischen Satelliten empfangen, zum Einsatz. Abbildung 3 zeigt das Messprinzip von DGPS.

[Quelle: Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link]