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Grundwissen der Satellitenortung

Satellitenortungssysteme werden allgemein als GNSS bezeichnet. Die Abkürzung steht für Global Navigation Satellite System und bezeichnet einen Komplex aus Satelliten und Bodenstationen, mit dem auf Basis von Signallaufzeitmessungen Positionen und Bewegungsrichtungen von stationären oder mobilen Empfangseinheiten („GPS-Empfänger“, „GNSS-Sensoren“) bestimmt werden können.

Das bekannteste GNSS ist das amerikanische GPS (Global Positioning System). Neben GPS werden verschiedene andere GNSS wie GLONASS, GALILEO und COMPASS betrieben oder aufgebaut.

Satellitensignale in der Landwirtschaft nutzen

Übersicht über die aktuellen satellitenbasierte Ortungssysteme.

In den 1970 Jahren wurden Satellitensystem zunächst nur für miltärische Zwecke entwickelt. Bereits in den frühen 1990er Jahren wurden die ersten Versuche zur Ertragsermittlung mit GPS eingesetzt. Die Genauigkeit lag seinerzeit noch bei etwa 100 Metern. Mit der Abschaltung der "Selective Availability" der USA seit dem Jahr 2000 wurde eine Ortung zwischen 10 und 20 Metern möglich. Parallel baut Russland sein Satellitensystem GLONASS aus, welches erst seit 2009 landwirtschaftlich genutzt werden kann. In 2014 wurde in Europa das Projekt Galileo durch die ESA gestartet und befindet sich derzeit noch im Aufbau. Für landwirtschaftliche Zwecke ist es derzeit noch nicht nutzbar

Lenksysteme in der Landwirtschaft

Ab 2003 waren erste automatische Lenksysteme für Traktoren verfügbar. Diese Technologie hat sich ständig weiter entwickelt und stellt heute sicherlich die wichtigste Anwendung von Satellitenortungssystemen in der Landwirtschaft dar.

Die wichtigsten Vorteile eines Lenksystemes sind:

  • Entlastung des Fahrers
  • Steigerung der Arbeitsqualität
  • geringere Belastung am Vorgewende
  • Arbeit bei schlechten Sichtbedingungen möglich (Dämmerung, Nebel)
  • Ausnutzung der vollen Arbeitsbreite
  • Steigerung der Maschinenauslastung
  • Keine manuelle Markierung von Saatstreifen
  • geringerer Einsatz von Hilfsstoffen und Produktionsmittel
  • Kombinierte Anwendungen für Datenerfassung, Feldrobotik und Dokumentation

Satellitenbasierte automatische Lenksysteme sollen eine hohe Lenkgenauigkeit einhalten und die Fahrerin oder den Fahrer entlasten. Je nach Ausrüstung greift ein Lenksystem direkt in die Lenkhydraulik des Traktors ein oder Stellmotor am Lenkrad übernimmt die Lenkbewegungen. Ein aktiver Eingriff des Fahrers ist aber jederzeit möglich und beendet sofort die autonome Funktionalität. Im Falle eines vollautomatischen Lenksystems steuert ein Navigationsrechner ein elektro-hydraulisches Ventil und übernimmt die Lenkbewegungen. Hierbei handelt es sich um die kostenintensivste Investition. Häufig werden sogenannte Lenkassistenten als Nachrüstsatz eingesetzt. Dabei übernimmt ein Stellmotor am Lenkrad die Lenkfunktionalität, während sich das Lenkrad stetig mitdreht.

Korrektursignale erhöhen den Nutzen

Damit eine Position exakt bestimmt werden kann, reicht die Verbindung vom Empfänger auf dem Traktor zu den Satelliten alleine nicht aus. Die Satelliten-Signale verzögern sich auf dem Weg zum Traktor. Die höchste absolute und damit wiederholbare Genauigkeit erreichen RTK Korrekturdatensysteme mit 2,5 cm Abweichung von der tatsächlichen Position. RTK-Systeme verwenden für die Korrektur von prognostizierten Laufbahnabweichung, Uhrzeitfehlern sowie Verzögerungen der Signallaufzeit durch die Ionos- und Troposphäre fixe Referenzpunkte, die sich wenige Kilometer (max. 25 km) entfernt vom Traktor befinden. Auf den Referenzpunkten steht ein GNSS-Empfänger, genannt Basisstation. Dessen Korrekturinformationen werden über Mobilfunk an den Traktor übermittelt und ergeben nach einer Verrechnung mit den Positionsdaten des GNSS-Empfängers auf dem Traktordach die korrigierte präzise Position.

Es wird in drei Varianten unterschieden:

  • eigene mobile Basisstation wird vor Beginn der Arbeit auf dem Feld aufgestellt - wenig verbreitet, Auf- und Abbau jeweils am Feld, begrenzte Reichweite gut geeignet in Gebieten mit geringer Mobilfunkabdeckung
  • Feststation(en) meist als Einzelstations-System über Server verwaltet oder auch als Netzwerk, häufig durch Landtechnikhändler an hohen Punkten oder Gebäuden aufgestellt - verbreitet je nach Anbieter, bei regionaler Verfügbarkeit sinnvoll
  • virtuelles Netzwerksystem - landesweite Netzwerk betrieben von Swiss Topo - verbreitete Anwendung; gute Netzabdeckung


     

 

 

Die meisten Anbieter von RTK-Korrekturdiensten bieten einen schweizweiten Dienst an. Die Signale werden in einem international standardisierten Format (RTCM3 oder CMR+) zur Verfügung gestellt, die von allen namhaften Anbieten verwendet werden können.

Die Verwendung der Korrektursignale wird meist über eine Jahreslizenz die sich zwischen 800,- und 1200,- CHF bewegt. Je nach Anbieter gibt es auch die Möglichkeit 3-monatige Nutzungen zu vereinbaren.

Die folgende Tabelle zeigt die Anbieter von RTK Korrektursignal-Diensten in der Schweiz.

Anbieter Produkt Signal Link
Robert Aebi Landtechnik Farmnet Swiss Topo farmnet
Studer Landtechnik RTK² eigenes Netz mit 11 Stationen RTK²
CNH/ Kuhn SkyConnect Swiss Topo SkyConnect
RTK Clue RTK Clue eigenes Netz mit 15 Stationen RTK Clue
Serco Landtechnik Serco.Net eigenes Netz mit 13 Stationen Serco.Net
SDF Group SDF-Agrosky Zugriff auf diverse Anbieter
AgroSky
GVS-Agrar, Agrar-Landtechnik AgrarNET eigenes Netz mit 30 Stationen AgrarNET
Leica/ Hexagon Geosystems SmartNet Swiss Topo   SmartNet
Informationen der Webseiten abgerufen März 2020

Überbrückung bei Signalunterbruch

Da es bei der Übertragung der Daten zu Ausfällen kommen kann, müssen die RTK-GPS-Algorithmen in der Lage sein, mit lückenhaften Daten der Referenzstation umgehen zu können

  • Verwendung von bekannten Korrekturdaten
  • daher ohne Signal nur begrenzte Zeit  mit hoher Genauigkeit
  • Services z.B. von Trimble: xFill; John Deere: RTK-Extend

Spezialwissen rund um Satellitenortung

Die Anfänge der heutigen Satellitenortung gehen bis auf das Jahr 1958 zurück. Damals begann die US-Marine mit der Entwicklung des ersten Satelliten - Navigationssystems "Transit" zur Verbesserung der Kriegsführung. Militärisch genutzt wurde das System zum ersten Mal im Jahr 1964. Dieses Satelliten - Navigationssystem erreichte Genauigkeiten von 500 bis zu 15 m je nach Empfänger.

In den 1970er Jahren entwickelte und errichtete das US-Verteidigungsministerium dann ein weiteres, aber deutlich umfangreicheres globales Satellitenortungssystem mit dem Namen "NAVSTAR GPS" (Global Positioning System). Dieses System löste 1985 das erste Satellitensystem der Marine ab und ist seit dem Jahr 1990 voll funktionsfähig. Weite Verbreitung als Navigationssystem in der zivilen Nutzung fand das Global Positioning System erst ab dem Jahr 2000, als die Positionsbestimmung nach einer technischen Optimierung eine Genauigkeit von 5 - 10m erreichte. GPS stellt das derzeit bedeutendste Satellitenortungssystem dar.

Neben dem amerikanischen Verteidigungsministerium etablierte aber auch das russische Verteidigungsministerium nur kurze Zeit später ein ähnlich aufgebautes Satellitenortungssystem mit dem Namen "GLONASS". Mit der Entwicklung des Systems wurde bereits im Jahr 1972 begonnen, offiziell betriebsbereit ist GLONASS seit Herbst des Jahres 1993 und aber erst im Jahr 2010 wurde es für die kommerzielle Nutzung freigegeben (von ALB Bayern). Seit 2014 arbeitet Europa am Aufbau eines eigenen Satellitensystems: Galileo. Dieses Navigationssystem basiert auf insgesamt 30 Satelliten. Die letzten vier sollen Ende 2020 mit einer Trägerrakete ins All fliegen. Ab dann stehen die Dienste zur Positionsbestimmung zur Verfügung.

 

MEO (meteo earth orbiter) GNSS: Global Navigation Satellite System ( GPS, Galileo, Glonass, Beidou) umkreisen die Erde in einer Höhe von ca. 20 tkm.

GEO (geostationäre Satelliten) SBAS: Satellite Based Augmentation System (Satellitenbasiertes Ergänzungssystem) über geostationäre Satelliten mit Bodenstationen z.B. EGNOS, WAAS, ... Sie dienen als zusätzliche Satelliten, welche die Genauigkeit erhöhen. Geostationäre Satelliten drehen sich mit analoger Geschwindigkeit zur Erdrotation in einer Höhe vonca. 36 tkm.

LEO (low earth orbiter) Erderkundungssatelliten: Einsatz in Land- und Forstwirtschaft (Ernteabschätzung, Überwachung von Weidegebieten, Entdeckung von Waldbränden, Abschätzung von Umweltschäden), Kartographie, Geologie (Prospektion von Bodenschätzen), Meeres- und Gewässerkunde und in Klimaforschung. Diese Satelliten befinden sich auf einer Höhe von 400 bis 1000 km. Die bekanntesten Satelliten ist die Sentinell-Familie

European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) ist ein europäisches Differential Global Positioning System (DGPS) als Erweiterungssystem zur Satellitennavigation. Es steigert regional begrenzt auf Europa die Positionsgenauigkeit von GNSS. (Wikipedia)

Mittels verschiedener Anwendungen und Apps kann die Signalstärke und die Anzahl verfügbarer Satelliten angezeigt werden.

Satellitenortungssysteme funktionieren durch eine Interaktion von Satelliten, Boden- oder Basisstationen und den Empfangsgeräten (GPS-Gerät) auf der Erde. Dabei beruht die Positionsbestimmung auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Signalen.

1. Positionsmessung über Triangulation (siehe Bild)
2. Satelliten übertragen eindeutige Kennung und Zeitstempel  der integrierten Atomuhr
3. Signal trifft bei Empfänger ein
4. Ermittlung der Dauer des Signals (Laufzeit)
5. aus Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit  wird die Entfernung ermittelt (pseudo range)
6. aus drei Satellitenpositionen und drei Entfernungen kann die Position eindeutig bestimmt werden. Ein vierter Satellit dient der Zeitkorrektur (keine Atomuhr im Empfänger)

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist abhängig von der Position der Satelliten zueinander und zum beobachteten Ort, sowie von der Genauigkeit der Zeitmessung beziehungsweise der Laufzeit.

Die Genauigkeit von GNSS-Sensoren hängt von verschiedenen Faktoren ab. Entscheidend sind neben der Qualität der Antenne, der Signalfilterung und den Algorithmen für die Signalverarbeitung die Anzahl der verfügbaren Satelliten, die Konstellation der Satelliten und das Ausmaß der atmosphärischen Störungen in der Ionosphäre. Zusätzlich wirken sich Fehler bei der Bestimmung der Satellitenumlaufbahnen und Uhrenfehler auf die Genauigkeit von GNSS aus. Der Einfluss der Atmosphäre und die Satellitenkonstellation ändern sich ständig.

Warum werden Korrektursignale benötigt?

Wie im Abschnitt Störfaktoren beschrieben, werden durch unterschiedliche Faktoren die Laufzeiten der Satellitensignale zum Empfänger beeinflusst.

Damit eine genaue Ortung vollzogen werden kann, müssen die Störfaktoren der Signallaufzeit ausgeglichen werden. Dabei werden feste Referenzstationen am Boden installiert, deren exakte geografische Lage bekannt ist. Diese Referenzstationen ermitteln die Laufzeit der Ortungssignale aus der bekannten eigenen Position und dem Zeitstempel der einzelnen Satelliten. Die Differenz aus der ermittelten und der tatsächlichen Laufzeit der Signale gibt den Laufzeitfehler aus.  Dieser Laufzeitfehler wird nun als satellitenspezifischer Korrekturfaktor dem Empfangsgerät laufend übermittelt und kann dadurch die Ortungsgenauigkeit erhöhen.

Das System mit den bodengebundenen Referenzstationen wird als differentiell korrigiertes GNSS (DGNSS) bezeichnet und stellt das heutige gängige System dar. Daneben gibt es ein satellitenbasiertes Ergänzungssystem bezeichnet als SBAS (Satellite Based Augmentation System) welches das Satellitennavigationssystem unterstützt. Bekannte SBAS ist das EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) oder WAAS (amerikanisches System).

Für die Nutzung von Satellitensignale in der Landwirtschaft ist eine sehr hohe Positionsgenauigkeit erforderlich, die im cm-Bereich liegt. Ohne die Einbeziehung von Korrekturdaten bei der Positionsbestimmung wird eine durchschnittliche Genauigkeit von etwa 10 Metern erreicht. Die Einbeziehung des DGNSS hat die die Positionsgenauigkeit auf ca. 1 Meter erhöht. Durch stetige Optimierungen an Technologie und Herausrechnen der Laufzeitfehler wurden in den letzten Jahren die Signale immer präziser. Aber erst durch den Einsatz von RTK wurde die höchste Genauigkeit und Wiederholbarkeit erzielt.

Die Übertragung der Korrektursignale erfolgen heute und in unserer Region im Wesentlichen über zwei Varianten: via Satellit oder Mobilfunk, in den Anfängen auch über Funkfrequenzen

Übertragung via Satellit

Es wird dabei unterteilt in einkanalige Systeme (z.B. EGNOS, StarFire I, OmniSTAR VBS, Range Point RTX; TerraStar-L), die die Korrekturdaten nur auf der Frequenz L1 empfangen und zweikanalige Dienste (StarFire III, OmniSTAR XP/HP, Center Point RTX, TerraStar-C), die die Korrekturdaten auf den Frequenzen L1 und L2 erhalten. Bei L1-Empfängern kommen die Korrekturdaten immer über die am nächstgelegen Referenzstationen im Umfeld des Signalempfängers und wird im Empfänger zur bestmöglichen Positionsbestimmung verrechnet. Die zweikanaligen Korrektursignale werden durch das sogenannte PPP - Verfahren (Precision Point Positioning) errechnet. Dabei geschieht durch  Extrapolation und den Informationen von globalen Referenzstationen die Erzeugung der Zeitkorrekturen. Aufgrund der aufwendigen Berechnungen benötigen diese System häufig eine längere Initialisierungszeit vor dem Einsatz mit dem Ziel einer höheren absoluten Genauigkeit.  

Übertragung via Mobilfunk
Bei diesem Korrekturdienst werden auch über ortsfeste Stationen Korrekturdaten erstellt. Am örtlichen Anwendungsort wird eine virtuelle Station simuliert, die wiederum dem Empfänger die Korrekturdaten per Mobilfunk zur Verfügung stellt. Dieses Verfahren wird als RTK (Real Time Kinematik) bezeichnet.   

Übersicht Satellitensignale

Die Positionsbestimmung mit GNSS beruht auf die Messung von Signallaufzeiten vom Satellit zum Empfänger. Als Ergebnis hängt die Genauigkeit von GNSS-Sensoren von verschiedenen Faktoren ab. Die Grundlagen für die Positionsbestimmung sind in einem stetigen Wandel dürch ändernden Einfluss von Atmosphäre und Satellitenbewegungen. Daher haben verschiedene Aspekte Einfluss auf Signalstärke und präzise Ortung, wie: die Qualität der Antenne, Signalfilterung, Anzahl und Konstellation von Satelliten, atmosphärische Störfaktoren und die Algorithmen der Signalverarbeitung. Entscheidend für die Positionsgenauigkeit sind die Anzahl der verfügbaren Satelliten und ihrer Stellung zueinander.

Somit gilt für Genauigkeit ist die Verfügbarkeit und Funktionssicherheit von Bedeutung. Diese lassen sich in die Bereiche Satelliten und Korrektursignal unterteilen. Für die Satelliten gilt: Je mehr, desto besser. Für eine Positionsbestimmung braucht es abhängig von der Systemgenauigkeit mindestens vier Satelliten und möglichst freie Sicht nach Süden.

Für die praktische Anwendung wird unterschieden in:

  • absolute Genauigkeit = wiederholbare Genauigkeit
    • wie stark weicht die gemessene Position von der wahren Position ab
    • sie ist wichtig bei langfristiger Nutzung von Positionen z.B. fixe Fahrspuren, Strip Till, Controlled traffic farming, Dauerkulturen, Feldgrenzen


  • relative Genauigkeit  = Spur-zu-Spur Genauigkeit
    • Die Angabe 2.5 cm Spur-zu-Spur Genauigkeit bedeutet, das ein Fahrzeug innerhalb von 15 Minuten 95% der Zeit (also 14 Minuten) weniger als 2.5 cm von der Fahrspur oder der Ausgangsposition abweicht.
    • wichtig bei Parallelfahrlenksystemen


Hangneigungskorrektur

Um die Qualität auch bei geneigten Feldern erreichen zu können, ist eine Hangneigungskorrektur notwendig. Exakte Systeme haben deshalb zusätzliche Sensoren integriert, welche den seitlichen Versatz kompensieren können. 

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