GPS auf der Baustelle - ein Einstieg

Wofür kann man GPS auf einer Baustelle verwenden außer für das Hinfinden? Auch das ist schon schwer genug, weil ja eine Baustelle oft noch keine Adresse hat, die man in sein Navi eingeben könnte. Was machen also die immer häufiger zu sehenden Raupen, Bagger und Walzen mit den GPS-Antennen und wie funktioniert das? Brauchten die Maschinen das GPS, um zur Baustelle zu finden? Sicher nicht, weil sie überwiegend per Tieflader zwischen den Baustellen transportiert werden. Aber das Navi des Tiefladers liefert uns einen willkommenen Einstieg in das Thema.

 

Bagger mit 2 GPS-Antennen am Heck                      Raupe mit einer GPS-Antenne in Schildmitte

Steigen wir mit dem ersten Problem ein: Wie findet man eine Baustelle mit dem Navi, wenn sie noch keine Adresse hat? Viele Navigationsgeräte bieten die Möglichkeit, für das Ziel Koordinaten einzugeben. Und eigentlich ist es das, was ein Navigationsgerät ausschließlich kann – es führt uns zu einer Koordinate. Nur bekommen wir diese Koordinate meistens nicht zu sehen, weil im Navi zu jeder ihm bekannten Adresse die entsprechende Koordinate gespeichert ist und wir unser Ziel eben als diese Adresse eingeben können. Das Gerät ermittelt zur Adresse die entsprechende Koordinate und führt uns navigierend, hoffentlich meist auf befahrbaren Straßen, zum Ziel. Kennen wir die Adresse nicht, müssen wir uns etwas anderes einfallen lassen.

Ein Blick in den guten alten Straßenatlas hilft uns weiter. Einfach ins Navi eine existierende Adresse in der Nähe unseres Ziels eingegeben und wir werden erst einmal dorthin geführt. Der restliche Weg ergibt sich nach der Ankunft mit der Erkundung der Örtlichkeit. Einmal am Ziel angekommen, lohnt sich ein weiterer Blick auf das Navi. Oftmals bietet es die Möglichkeit, mit einer ähnlichen Funktion wie „Wo bin ich“ den aktuellen Ort unter einem Namen zu speichern und zeigt dafür die Koordinaten, die wir vor der Fahrt zu diesem Ort noch nicht kannten. Hier mal ein Beispiel für mein Büro:

 

Mit Klick auf „Speichern“ können wir diesen Koordinaten einen Namen geben, den wir das nächste Mal unter den Favoriten finden und wir werden wieder an die gleiche Stelle geführt. Und somit ist klar, dass wir eigentlich nur eine Koordinate benötigen, um reproduzierbar immer wieder an das gleiche Ziel geführt zu werden. Jedenfalls scheint es erst einmal so. Die Probe auf’s Exempel machen wir, indem wir am gespeicherten Punkt ein Kreuzchen auf den Boden sprühen oder ein Stöckchen in den Sand stecken und versuchen mit unserem Navi diesen Punkt genau wieder zu finden. Es wird uns nicht gelingen. Das Navi führt uns zwar in die Nähe und vielleicht sogar direkt zum Punkt aber das eben nur zufällig. Meist liegen wir bis zu mehreren Metern in beliebiger Richtung daneben. Und wir können zuschauen, wie das Navi Richtung und Abstand zum Ziel immer wieder anders anzeigt und manchmal sogar springt. Zum Autofahren reicht’s, aber zum Bauen offensichtlich so nicht.

 

Einmal angekommen, werfen wir einen Blick in die Planung. Als erstes möchten wir uns den Platz ansehen, der für das Regenrückhaltebecken vorgesehen ist. Wir ziehen den entsprechenden Plan aus der Tasche und finden für die Hauptpunkte des Regenrückhaltebeckens Koordinaten. Diese sind aber offensichtlich von ganz anderer Struktur und Größe als die Werte, die unser Navi („Wo bin ich“) an dieser Stelle anzeigt. Für den Punkt PBP1 des Beckens zeigt das Navi N 51.80582° und O 011.194445° gegenüber den Zahlen 4444562.964 und 5742192.545 aus der Planung. Beide mögen wohl „irgendwie“ zusammen hängen, aber die Planer arbeiten offensichtlich mit einem anderen System als unser Navi, obwohl beide auf den gleichen Ort verweisen. Die Navigationssatelliten haben ihr eigenes, die ganze Erde umspannendes 3-dimensionales Koordinatensystem. In dessen Zentrum ist der Erdmittelpunkt. Die Planer verwenden ein auf einen Teil der Erdoberfläche verebnetes Koordinatensystem. Beide Systeme kann man ineinander überführen. Um mit Satellitennavigation auf der Baustelle arbeiten zu können, muss man also die Navigationskoordinaten in das Planungssystem umformen. Diese Umformungsvorschrift nennt man Transformation oder Lokalisierung. Sie muss einmalig zu Beginn einer Baumaßnahme für die Baustelle berechnet werden und auf allen Baumaschinen, die auf dieser Baustelle mit GPS geführt werden, verwendet werden. Wechselt eine Baumaschine die Baustelle, muss auch die Transformation gewechselt werden.

Bleibt das Problem der Genauigkeit. Mit besseren Navis, nämlich solchen, die speziell für die Vermessung entwickelt wurden und entsprechend teuer sind, kann man einiges erreichen. Aber genauer als ca. 2m sind sie für sich allein genutzt auch nicht. Das heißt, ich würde immer noch in einem Kreis von Zimmergröße um meinen Zielpunkt taumeln. Der entscheidende Punkt ist, dass ein weiteres Navi in der Nähe des ersten die gleichen Fehler macht. Es empfängt die gleichen Signale von den gleichen Satelliten mit den gleichen Fehlern. Nehmen wir an, wir würden zwei Punkte im Abstand von 10 m markieren und jeden mit einem Navi registrieren und dann versuchen sie wieder zu finden. Dann würden beide Navis immer im gleichen Abstand von 10m in gleichen Figuren in der Gegend umher irren, aber als Ballett! Ein Pas De Deux für Navis, zumindest für ihre Träger. Und wenn wir jetzt ein Navi auf einem bekannten  Punkt festsetzen und es mit dem anderen kommunizieren lassen? Dann braucht das zweite Navi nur noch auf die Differenz zum Ersten zu achten und das Prinzip des differenziellen GPS, das DGPS ist erfunden.

 <- Eine feststehende Basis und 2 „stehende“ Rover ->  

Dieses Verfahren liefert uns eine Genauigkeit von 2-4cm (ich will mich hier nicht festlegen) und macht es zumindest für die meisten Erdbaustellen voll tauglich. Das festgesetzte Navi heißt dann Referenz oder Basis, das sich bewegende heißt Rover. Es können beliebig viele Rover mit einer Basis arbeiten. Die Basis kann

  • ortsfest (z.B. an einem Container) montiert sein; ihre Koordinaten werden einmalig bestimmt
  • täglich auf einem bekannten festen Punkt neu aufgestellt werden
  • täglich auf einen neuen unbekannten Punkt gestellt und neu bestimmt werden oder
  • man arbeitet mit einer öffentlichen Basis, deren Daten man über GSM/Internet erhält.

Fehlt nur noch die Arbeitsanweisung für die Maschinen. 2 Koordinaten eines Regenrückhaltebeckens reichen zwar für die Orientierung, aber nicht, um die komplette Form des Beckens zu beschreiben. Wenn jetzt ein Vermesser auf die Baustelle kommen müsste um die Form des Beckens mit Pflöcken in die Landschaft zu nageln, hätten wir auch noch nicht viel gekonnt. Nach dem ersten Grobaushub müsste ja der Vermesser nochmal kommen um die Sohle fein abzustecken usw. Besser wäre es, die Maschine würde dem Maschinisten gleich zeigen, was zu tun ist. Dafür benötigt man ein Modell, welches das herzustellende Bauwerk in ausreichender Genauigkeit in einem Computer nachbildet. Das macht auch ein Vermesser – aber eben nur einmal. Sobald das Modell in der Maschine ist, kann diese danach arbeiten, bis das Bauwerk oder der Horizont fertig ist.

Alternativ kann ein mit einem Rover ausgestatteter Polier jedem Maschinenführer zeigen, an welcher Stelle noch wieviel auf- oder abzutragen ist (das macht ein Vermesser mit seinen Pflöcken auch - aber der muss erst gerufen werden und kostet ...).

Das sind also die Voraussetzungen für GPS auf der Baustelle:

  1. Ein Modell aus einer koordinierten Planung
  2. Eine Basis (ein GPS-Empfänger oder Bezug der Korrekturdaten über GSM/Internet gegen Gebühren)
  3. Eine Transformation
  4. Baumaschinen mit GPS-Führung (je ein GPS-Empfänger als Rover)
  5. und/oder einen Rover für den Polier

Ist alles funktionierend eingerichtet, weiß die Maschine, wo sie sich befindet. Sie kann für diese Position die Solldaten aus der Planung ermitteln und dem Baggerführer anzeigen, dass z.B. bis zur Sohle noch 3m ausgehoben werden müssen. Oder es wird im Falle einer Raupe sogar das Schild in einem definierten Regelbereich automatisch gehoben, gesenkt und geneigt.

Bruno Timme
Magdeburg, Januar 2013