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Erläuterung der GNSS-Koordinatensysteme
Inhaltsverzeichnis
Wann sollte man sich mit Koordinatensystemen befassen und wann nicht?
Sie tun NICHT Man muss über Koordinatensysteme nachdenken, wenn es bei der Aufgabe nur um Folgendes geht relative Koordinaten mögen:
- Der Roboter navigiert mithilfe relativer Koordinaten, z. B. „Beweg dich 5 Meter nach Osten“.
- Der Traktor muss über ein Feld fahren und dabei eine zentimetergenaue Spurweite von Spur zu Spur aufweisen.
- Die Drohne muss lediglich zum Startpunkt zurückkehren.
- Vergleichen von Punkten, die vom selben Empfänger aufgezeichnet wurden, ohne Verknüpfung mit Karten (Überprüfung, ob ein Traktor zum selben Punkt auf dem Feld zurückgekehrt ist).
Ihnen Erarbeiten Brauchen Sie sich um Koordinatensysteme zu kümmern, wenn die Aufgabe Folgendes beinhaltet Vergleich von GNSS-Messungen mit Karten von Drittanbietern, GIS oder offiziellen Dokumentationen:
- Geodäsie, Katasterwesen, Landvermessung, beispielsweise wenn man Grundstücksgrenzen misst und diese mit einer Katasterkarte vergleichen möchte.
- Die GNSS-Daten werden mit Karten von Drittanbietern oder mit Messungen kombiniert, die Ihre Hochschule mit einem anderen Messgerät durchgeführt hat.
- Die Weitergabe von Positionsdaten an Dritte (wie Katasterbehörden oder Bauunternehmen), beispielsweise wenn Sie einem Bauunternehmen die Koordinaten einer geplanten Ausgrabungsstelle übermitteln, das dann mit eigener RTK-Ausrüstung den genauen Punkt im Gelände anhand Ihrer Karte ermittelt.
Wenn dies auf Sie zutrifft, lesen Sie bitte weiter. Koordinatensysteme sind jetzt für Sie wichtig.
Erläuterung von Koordinatensystemen
Einer der häufigsten Gründe für Fehlerhafte Daten im Feld sind nicht übereinstimmende Koordinatensysteme – zwischen Ihrem rover, Basis oder NTRIP service .
Um kostspielige Fehler zu vermeiden, ist es wichtig zu verstehen, wie Koordinatensysteme funktionieren und wie jeder Teil Ihres GNSS-Systems zur endgültigen Position beiträgt.
Bezugspunkte
Wenn man etwas misst, braucht man immer einen Ausgangspunkt, einen „Nullpunkt“. Wenn zwei Personen nicht denselben Ausgangspunkt verwenden, sind ihre Messungen nicht vergleichbar. Dasselbe gilt für Positionen auf der Erde.
Da die Erde keine perfekte Kugel ist, verwendet die Geodäsie ein Ellipsoid als einfaches Modell der Erde. Datum definiert dieses Ellipsoid, seine Position relativ zum Erdmittelpunkt und wie Breitengrad, Längengrad und Höhe gemessen werden.
- Globale Bezugssysteme decken den gesamten Planeten ab Sie werden von GPS/GNSS verwendet und im Laufe der Zeit durch präzisere Messungen aktualisiert. Da globale Bezugssysteme jedoch am Erdmittelpunkt orientiert sind, verändern sich die Koordinaten langsam durch die Bewegung tektonischer Platten (etwa 10 cm pro Jahr). Ein heute gemessener Punkt wird in 10 Jahren nicht mehr exakt dieselben Koordinaten haben.
Beispiele: WGS84, ITRF. - Lokale Bezugssysteme legen Koordinaten einer tektonischen Platte, Region oder einem Land fest. Alles auf dieser Platte bewegt sich gemeinsam, sodass die Koordinaten über die Zeit stabil bleiben.
Beispiele: GDA94 (Australien), NAD83 (Nordamerika), ETRS89 (Europa).
Datumsangaben können auch sein:
- Statisch: Die Koordinaten ändern sich nicht mit der ZeitWenn es wenig oder keine tektonische Aktivität gibt und die Bewegungen der Erde von Jahr zu Jahr vernachlässigbar sind.
Beispiele: ETRS89 wird in Europa verwendet.
- Dynamisch: Die Koordinaten werden mit der Erdbewegung ständig aktualisiert.Globale Bezugssysteme sind typischerweise dynamisch und werden mehrmals im Jahr aktualisiert, da sich die Kontinente relativ zueinander verschieben.
Beispiele: WGS84, ITRF, IGS.
- Halbdynamisch: Koordinatenaktualisierung nach DeformationsereignissenEreignisse wie Erdbeben oder alle paar Jahre. Lokale, regionale/nationale Bezugssysteme in Ländern mit tektonischer Aktivität sind üblicherweise semidynamisch.
Beispiele: NAD83(2011) wird in den USA verwendet, GDA2020 in Australien.
Epochen
Für dynamische und semidynamische Bezugssysteme gilt außerdem Man muss Datum und Uhrzeit der Positionsmessung kennen, da die Position von der Zeit abhängt. sowie X, Y, Z.
Zum Beispiel lautet die korrekte Bezeichnung des neuesten in den Vereinigten Staaten verwendeten horizontalen Bezugssystems: NAD83 (2011) Epoche 2010.00 oder N83 n. Chr. (2011) Epoche 2025.00
Kombiniert man das Datum (das „Wo“) und die Epoche (das „Wann“), erhält man das, was die Geodäsie als … bezeichnet. ReferenzrahmenWenn Sie Ihre Messungen mit einer bestehenden Karte oder einem Datensatz vergleichen, stellen Sie immer sicher, dass diese denselben Bezugsrahmen (Datum und Epoche) verwenden – andernfalls stimmen die Positionen möglicherweise nicht korrekt überein.
Projections
Eine Projektion ist eine mathematische Methode, um die gekrümmte Erde auf einer flachen Karte (2D) darzustellen. Dies ist notwendig, da Längen- und Breitengrade für die Angabe von Entfernungen, Winkeln usw. unpraktisch sind. CAD Arbeit.
Während das geographische Koordinatensystem Ellipsoid-, Geoid- und Datumsinformationen erfasst und somit angibt, wo sich etwas im dreidimensionalen Raum befindet, Das projizierte Koordinatensystem enthält die Informationen zum Koordinatensystem sowie weitere Details wie das mathematische Modell. der Projektion.
Beispiele für Kartenprojektionen:
- UTM (Universal Transverse Mercator) ist die gebräuchlichste Projektion für GNSS, Kartierung und Vermessung. Beispielsweise wird in Mitteleuropa die UTM-Zone 32N verwendet.
- Web Mercator ist die Projektion, die von Google Maps, OpenStreetMap und anderen Online-Kartendiensten verwendet wird.
Datumstransformationen
Derselbe Ort auf der Erde kann je nach verwendetem Bezugssystem unterschiedliche Koordinaten haben:
- Eigenständige GNSS-Empfänger (ohne RTK-Korrekturen) liefern Positionsdaten im globalen WGS84/ITRF-Datum.
- RTK-Empfänger liefern die Position im Bezugssystem, an dem sich die Basisstation befindet / NTRIP Der Korrekturdienst wurde kalibriert.
Wenn das vom GNSS-Empfänger verwendete Bezugssystem und das gewünschte Bezugssystem für die Positionsbestimmung nicht übereinstimmen, ist eine Bezugssystemtransformation erforderlich. Stellen Sie sich das wie eine Währungsumrechnung vor: 100 € sind nicht dasselbe wie 100 $, aber mit dem richtigen Wechselkurs lassen sie sich vergleichen. Eine Bezugssystemtransformation ist eine mathematische Operation, die Koordinaten in verschiedenen Bezugssystemen verschiebt, dreht oder skaliert, sodass sie denselben physikalischen Punkt beschreiben.
Die vier folgenden Beispiele decken die häufigsten realen Szenarien ab, in denen Datentransformationen zum Einsatz kommen. Jedes Beispiel verdeutlicht den Sachverhalt, das auftretende Problem und dessen Behebung.
Typische Anwendungsfälle:
Arbeiten mit Karten und GNSS-Daten, die unterschiedliche Bezugssysteme verwenden
Stellen Sie sich vor, Sie bereiten sich auf Feldarbeit vor und laden eine Karte oder Hintergrundebene (zum Beispiel von Google Earth, OpenStreetMap oder einem Drohnen-Orthofoto) in eine Anwendung wie SW Maps. Diese Quellen verwenden fast immer das globale Bezugssystem WGS84, da es der Standard für die meisten globalen Webkarten ist.
Ihr RTK-Empfänger ist derweil mit einem lokalen Netzwerk verbunden. NTRIP Korrekturdienst wie SAPOS, das RTK-Korrekturen in ETRS89 bereitstellt – dem offiziellen geodätischen Referenzsystem für Deutschland und den größten Teil Europas.
Obwohl WGS84 und ETRS89 sehr ähnlich sind, unterscheiden sich ihre Referenzpunkte in Europa um etwa 1–2 Meter. Wenn Sie also Ihre WGS84-Karte mit ETRS89-basierten RTK-Messungen überlagern, können Ihre Punkte leicht verschoben erscheinen – beispielsweise stimmen Grundstücksgrenzen oder Feldränder nicht exakt überein.
Um dies zu beheben, müssen Sie in Ihrer Anwendung oder GIS-Software eine Datumstransformation von ETRS89 → WGS84 (oder umgekehrt, abhängig von Ihrer Projektkonfiguration) durchführen. Nach der Transformation sind Ihre gemessenen RTK-Punkte und die Hintergrundkarte korrekt ausgerichtet.
Warum Google Maps kleine Abweichungen anzeigen kann:
Google Maps ist ein Sonderfall, der Erwähnung verdient. Es ist an ITRF ausgerichtet (sehr nahe an WGS84), aber die Bilddaten selbst sind nicht perfekt an dieses Bezugssystem gebunden.
Jedes Satellitenbild von Google Maps wird separat verarbeitet und orthorektifiziert, was zu geringfügigen Restverschiebungen in den Bildern führt. Daher kann die visuelle Ebene um etwa 10–20 cm, je nach Gebiet auch mehr, verschoben sein.
Selbst wenn Sie die Transformation zwischen ETRS89 und WGS84 korrekt durchführen, kann es dennoch zu geringfügigen Abweichungen zwischen den RTK-präzisen Punkten und dem Hintergrundbild von Google Maps kommen.
Nutzung lokaler RTK-Korrekturdienste
Wenn Sie einen RTK-Empfänger verwenden, der an ein nationales Korrekturnetzwerk wie z. B. angeschlossen ist SAPOSDie Korrekturen werden im lokalen Bezugssystem übermittelt – im Falle Deutschlands im ETRS89. Dies ist das offizielle horizontale Bezugssystem, das in ganz Europa für Kartierung, Vermessung und GNSS-Anwendungen verwendet wird.
ETRS89 ist jedoch nicht nur ein Datum, sondern beinhaltet auch eine Epoche, die den Zeitpunkt definiert, auf den sich die Koordinaten beziehen. Da sich Europa relativ zum Erdmittelpunkt leicht bewegt (etwa 2.5 cm pro Jahr), sind die Koordinaten in ETRS89 auf einen bestimmten Zeitbezug festgelegt: ETRS89 zur Epoche 1989.0 (dem Zeitpunkt, als die Position der europäischen Platte relativ zum globalen WGS84/ITRF-System „eingefroren“ war).
SAPOS Sendet Korrekturen in einer Realisierung von ETRS89 zum Zeitpunkt 1989.0, also: Ihre RTK-Positionen sind stabil und stimmen mit nationalen Karten überein, obwohl sich die tektonische Platte seitdem bewegt hat.
Sie müssen keine Epochentransformation anwenden, wenn Sie Ihre vergleichen SAPOS-basierte Koordinaten auf offiziellen deutschen Kataster- oder topografischen Daten – sie alle sind im gleichen Bezugssystem definiert.
Dies ist einer der Hauptvorteile der Nutzung eines lokalen Anbieters. NTRIP Service: Er „übersetzt“ die globalen Satellitendaten in Echtzeit in das lokale Koordinatensystem Ihres Landes.
Verwendung des globalen Korrekturdienstes (Galileo HAS, PointPerfect, Skylark)
Stellen Sie sich vor, Sie entwerfen ein Straßenbauprojekt in AutoCAD und verwenden dabei das offizielle Koordinatenreferenzsystem Ihres Landes – zum Beispiel ETRS89 / UTM Zone 33N in Österreich.
Später sichert Ihr Außendienstteam den Entwurf mithilfe eines GNSS-Empfängers, der mit dem … verbunden ist. Galileo HAS Der Dienst liefert Korrekturen direkt von Satelliten. Für den Straßenbau ist eine Genauigkeit von 20–40 cm ausreichend, daher ist die Nutzung von HAS sinnvoll.
Aber, Galileo HAS Es sendet Korrekturen im globalen Datum WGS84 (World Geodetic System 1984). Obwohl WGS84 und ETRS89 einander sehr ähnlich sind, unterscheiden sich ihre Referenzpunkte in Europa um etwa 1–2 Meter und anderswo sogar um mehrere Meter.
Um sicherzustellen, dass Ihre Vermessungsdaten, Konstruktionszeichnungen und Karten alle perfekt im selben Bezugssystem ausgerichtet sind, müssen Sie die Konstruktionsdaten vom lokalen Datum ETRS89 in das globale Datum WGS84 transformieren, bevor Sie sie an den GNSS-Empfänger senden.
Verwendung eines Korrekturdienstes, der RTCM-Nachrichten 1021–1027 sendet
In einigen Ländern gibt es nationale Strafvollzugsdienste (wie APOS in Österreich, SatRef in Hongkong) senden nicht nur Standard-RTK-Korrekturdaten, sondern auch spezielle RTCM 1021–1027 Transformationsnachrichten.
Diese zusätzlichen Meldungen enthalten lokale Koordinatentransformationsparameter – mathematische Verschiebungen, die das globale Bezugssystem in das exakte regionale Koordinatensystem umwandeln.
Diese „lokale Transformation“ passt GNSS-Positionen an, die in einem globalen Bezugssystem berechnet wurden (wie ITRF im Falle von APOSUm das offizielle nationale Koordinatensystem für Kartierung und Vermessung anzupassen, werden kleine Verschiebungen, Drehungen und Maßstabskorrekturen vorgenommen, sodass Ihre Koordinaten perfekt mit den lokalen Vermessungskontrollpunkten übereinstimmen.
Es ist wichtig zu beachten, dass dies nicht dasselbe ist wie die Verwendung eines regionalen Bezugssystems wie ETRS89. ETRS89 definiert ein stabiles Bezugssystem für ganz Europa, aber jedes Land kann seine eigene lokale Version haben (z. B. ETRS89(AT) in Österreich oder ETRS89(PL) in Polen). RTCM-Nachrichten 1021–1027 liefern den zusätzlichen Schritt, der erforderlich ist, um die Koordinaten von diesem regionalen Bezugssystem auf das genaue lokale Gitter Ihres Landes abzustimmen.
Wenn Ihr RTK-Empfänger und Ihre Feldsoftware diese Meldungen unterstützen, können sie automatisch Koordinaten im richtigen lokalen Raster ausgeben – ohne dass Sie manuell Datums- oder Projektionsparameter eingeben müssen.
Höhen: Ellipsoid vs. Meeresspiegel vs. orthometrische
Eine weitere häufige Herausforderung bei der GNSS-Positionierung besteht darin zu verstehen, dass Höhenangaben nicht immer gleich sind. GNSS-Empfänger geben naturgemäß Höhenangaben aus. ellipsoidische HöhenDiese beziehen sich auf das WGS84-Ellipsoid, nicht auf den Meeresspiegel. Viele Vermessungsanwendungen basieren jedoch darauf. orthometrische HöhenDiese basieren auf dem mittleren Meeresspiegel. Diese Diskrepanz stellt eine zentrale Herausforderung dar: Um Höhendaten konsistent zu vergleichen oder zu verwenden, muss man zwischen Referenzsystemen umrechnen. Geoidmodell.
Eine detailliertere Erklärung der ellipsoidischen, orthometrischen und Geoidhöhen finden Sie unter Der Unterschied zwischen ellipsoidischer, orthometrischer und Geoidhöhe.
Falls Sie ein passendes Geoidmodell für Ihr Land suchen, haben wir für Sie Geoiddaten für verschiedene Länder zusammengestellt: Geoidmodell für Ihr Land zur Messung der orthometrischen Höhe.
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