Nutzung und Analyse der SAPOS. HEPS für Standard- und Sonderanwendungen

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1 Nutzung und Analyse der SAPOS -Dienste HEPS für Standard- und Sonderanwendungen von M. Bäumker Ch. Wendt 4. SAPOS -Nutzerforum 2005 Arnsberg, Detmold, Köln, Münster, Düsseldorf

2 Übersicht Einleitung Analyse der GPS-Höhenproblematik weitere Analysen der auf dem SAPOS -Nutzerforum 2004 festgestellten Probleme (ViGO, SKI-PRO, RTK-VRS) Sonderanwendungen Kalibration eines Kamerasystems mittels INS und SAPOS -GPS Kinematische Positionsbestimmung mit SAPOS -GPS Zusammenfassung

3 Einleitung und Motivation An der laufen seit mehreren Jahren Diplomarbeiten, die u.a. die SAPOS -Dienste HEPS und GPPS nutzen. Ziel: Genauigkeitsanlyse und Ableitung von Kriterien fuer deren praktischen Einsatz SAPOS umfasst die vier Servicebereiche: SAPOS EPS - Echtzeit Positionierungs-Service (1 m - 3 m) SAPOS HEPS - Hochpräziser Echtzeit Positionierungs-Service (1 cm - 5 cm) SAPOS GPPS - Geodätischer Präziser Positionierungs-Service ( 1 cm, near online) SAPOS GHPS - Geodätischer Hochpräziser Positionierungs-Service (mm-bereich)

4 Damals festgestellte Höhenprobleme Systematische Höhendifferenz von +15 mm bei SKI-Pro zwischen L1- und L2-Berechnung! Gemeinsame L1/L2-Auswertung ergibt exakt den Mittelwert der beiden Einzelauswertungen! Systematische Höhendifferenzen zu ViGO: ViGO - SKI-Pro (L1): +10 mm ViGO - SKI-Pro (L2): +25 mm ViGO - SKI-Pro (L1/L2): +17 mm ViGO - SAPOS HEPS (FKP): +17 mm ViGO - SAPOS HEPS (VRS): +18 mm (VRS) mit GPS-System (FKP) mit GPS-Sytem 5800 Diese Höhenproblematik wurde auch schon bei anderen Messungen festgestellt!

5 Höhenproblematik bei GPS Aufgrund der Geometrie (Satellitenkonstellation) fällt beim GPS die Höhengenauigkeit prinzipiell geringer als die Lagegenauigkeit aus (HDOP < VDOP)! Dominierende Fehlereinflüsse Ionosphäre Troposphäre Antennenoffsets (Nord, Ost, vertikal) elevations- und azimutabhängige Variation des Antennenphasenzentrum (PCV) unterschiedliche PCV-Kalibrationsdaten/quellen

6 Beispiele für PCV-Kalibrationsdaten Antennentyp LEICA AT502 - PCV-Offsets für L1 Antennenoffsets L1 (LEICA AT502) 80,0 60,0 61,8 68,3 61,1 59,1 Offset [mm] 40,0 20,0 0,0-20,0 0,3 2,0 0,0 0,0 3,2 0,2-1,8-1,4 NGS LEICA System 4 System 8 Nord Ost Höhe NGS: Relative NGS-Kalibrationsdaten zur AOAD/M_T-Antenne LEIAT502, Aero Element L1/L2 External, NGS ( 2) 99/14 LEICA-eigene: standardmäßig von LEICA bei RTK- und LGO-Auswertungen verwendete Werte System-x (indiv.): beim LVermA NRW individuell kalibrierte Antenne

7 Beispiele für PCV-Kalibrationsdaten Antennentyp LEICA AT502 - PCV-Offsets für L2 Antennenoffsets L2 (LEICA AT502) 80 65,4 71,2 Offset [mm] ,5 50,5-1,4 1, ,4-1,2-0,3-4,5 NGS LEICA System 4 System 8 Nord Ost Höhe NGS: Relative NGS-Kalibrationsdaten zur AOAD/M_T-Antenne LEIAT502, Aero Element L1/L2 External, NGS ( 2) 99/14 LEICA-eigene: standardmäßig von LEICA bei RTK- und LGO-Auswertungen verwendete Werte System-x (indiv.): beim LVermA NRW individuell kalibrierte Antenne

8 Beispiel für PCV-Kalibrationsdaten Antennentyp LEICA AT502 - elevationsabhängige PCV(z) für L1 Elevationsabhängige PCV's für L1 (LEICA AT502) 15,0 PCV [mm] 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 NGS LEICA Sys. 4 (indiv.) Sys. 8 (indiv.) 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 Elevationswinkel [Deg] NGS: Relative NGS-Kalibrationsdaten zur AOAD/M_T-Antenne LEIAT502, Aero Element L1/L2 External, NGS ( 2) 99/14 LEICA-eigene: standardmäßig von LEICA bei RTK- und LGO-Auswertungen verwendete Werte System-x (indiv.): beim LVermA NRW individuell kalibrierte Antenne

9 Beispiel für PCV-Kalibrationsdaten Antennentyp LEICA AT502 - elevationsabhängige PCV(z) für L2 Elevationsabhängige PCV's für L2 (LEICA AT502) 15,0 10,0 PCV [mm] 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 NGS LEICA Sys. 4 (indiv.) Sys. 8 (indiv.) 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 Elevationswinkel [Deg] NGS: Relative NGS-Kalibrationsdaten zur AOAD/M_T-Antenne LEIAT502, Aero Element L1/L2 External, NGS ( 2) 99/14 LEICA-eigene: standardmäßig von LEICA bei RTK- und LGO-Auswertungen verwendete Werte System-x (indiv.): beim LVermA NRW individuell kalibrierte Antenne

10 Auswirkung PCV auf ViGO-Berechnungen Vergleich der ViGO-Berechnungen a) PVC von NGS b) PCV aus individueller Kalibration LVermA NRW Differenzen < 5 mm in Lage und Höhe! ViGO-Koordinatendifferenzen PCV(ind.)-PCV(NGS) ViGO-Höhendifferenzen PCV(ind.)-PCV(NGS) 10,0 10,0 d-north [mm] 5,0 0,0-5,0-10,0 10 mm Differenz [mm] 5,0 0,0-5, mm -10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 d-east [mm] -10,0 System 4 System 8 System 4 System 8

11 Weitere Analysen mit neuen Messdaten Untersuchte und angewendete Auswertemethoden Echtzeitmessungen mit LEICA GPS-System 500 mit SAPOS HEPS (Nutzung der VRS-Option) Postprocessing mit ViGO und SAPOS GPPS (Download der RINEX-Daten von vier SAPOS-Referenzstationen) Postprocessing mit LEICA LGO/SKI-PRO unter Nutzung von SAPOS GPPS (Berechnung einer VRS in unmittelbarer Nähe des Messpunktes) Sämtliche Messungen wurden statisch auf einem Messpfeiler der Eichstrecke der durchgeführt! für Postprocessing: insgesamt 7 Messungen à 30 min

12 Mögliche (grobe) Anwenderfehler a) Bei Echtzeitmessungen mit LEICA GPS-System 500/1200 mit SAPOS HEPS: Einstellung ADVNULLANTENNA für Referenzantenne (Auswirkung ca. 20 mm auf die Höhe) Laden der NGS-PCV bzw. der individuell kalibrierten PCV in den Controller - nur über PC und Speicherkarte möglich! b) Beim Postprocessing mit LEICA LGO/SKI-PRO unter Nutzung von SAPOS GPPS mit einer VRS RINEX-Daten der VRS beziehen sich auf irgendeine Antenne einer SAPOS-Referenzstation (nächste zur VRS) Antennendaten dieser VRS müssen zusätzlich in das Projekt geladen werden! (Auswirkung auf Höhe z.t. > 100 mm, je nach vom SAPOS-Server verwendete VRS-Referenz!)

13 Vergleich ViGO mit SAPOS - VRS Echtzeitmessungen mit LEICA GPS-System 500 mit SAPOS-HEPS Postprocessing mit ViGO und SAPOS-GPPS (4 Referenzstationen) statisch 3 0 min à 15 s LEICA GPS System x > 30 s mit neuer Einwahl 90 min RTK mit VRS Real Time SAPOS HEPS statisch 3 0 min à 15 s Postprocessing Postprocessing SAPOS GPPS ViGO mit 4 Ref. Insgesamt 38 RTK-VRS-Messungen à 30 s zusammen mit 2 statischen Messungen à 30 min in Zwangszentrierung 5 weitere statische Messungen auf demselben Pfeiler an anderen Tagen

14 Vergleich ViGO mit SAPOS - VRS (Lage) Nordwert [mm] Lagedifferenzen (RTK mit SAPOS-VRS, LEICA 500, System 8) Differenzen zum Mittel ViGO-Mittel ViGO-VRS-Mittel Ostwert [mm] Differenzen der RTK- Mittelwerte ViGO - RTK(VRS) Nord: mm Ost: mm Höhe: 28.3 mm ViGO - ViGO(VRS) Nord: 1.6 mm Ost: 1.6 mm Höhe: -9.6 mm Standardabw. RTK(VRS) Nord: 17.1 mm Ost: 7.2 mm Höhe: 16.0 mm

15 Vergleich ViGO mit SAPOS - VRS (Höhe) ellip. Höhen der 38 Echtzeitmessungen mit SAPOS-VRS 174,38 174,36 ellip. Höhe [m] 174,34 174,32 174,30 174,28 20 mm Differenzen der Mittelwerte ViGO - RTK(VRS): 28.3 mm ViGO - ViGO(VRS): -9.6 mm Standardabw. (RTK): 16.0 mm 174, Punktnummer RTK-VRS LEICA500 Mittel ViGO Mittel-RTK-VRS LEICA500 Mittel ViGO(VRS)

16 Einfluss der PCV auf das Postprocessing LEICA-LGO-Differenzen zum Mittelwert aus ViGO Nordwert [mm] 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 2 statische Messungen à 30 min ausgewertet mit LEICA-LGO/SKI-PRO Le ica Ant enne AT502 mit P CV(z) S 8 Ant enne mit P CV(z) NGS LEIAT502 Ant. S 8 Ant enne mit P CV(z ) NGS LEIAT502 ohne P CV(z) Ant enne Leic a Ant e nne AT502 ohne P CV(z ) ohne P CV(z ) S 8 Ant eleic nne a mit Ant Penne CV(z ) AT502 NGS LEIAT502 Ant. mit PCV(z ) mit P CV(z) 10 mm Vergleich der Lagekoordinaten in Abhängigkeit der Auswertemethode L1, L2, L1+L2 und der PCV s ViGO - LEICA-LGO Differenzen mit PCV: < 15 mm (L1, L2, L1+L2) Leica Ant e nne AT502-15,0 ohne P CV(z ) S 8 Ant enne ohne P CV(z ) S 8 Ant enne NGS LEIAT502 Ant e nne Leica ohne Antenne P CV(z) AT502 S8 Antenne mit PCV(z) NGS LEIAT502 Ant. mit PCV(z) Leica Ant e nne AT502 mit PCV(z) ohne P CV(z) Einfluss der PCV: < 10 mm ohne P CV(z ) NGS LEIAT502 Ant e nne ohne P CV(z) -20,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 L1L2 mit PCV(z) L1L2 Ostwert ohne [mm] PCV(z) L1 mit PCV(z) L1 ohne PCV(z) L2 mit PCV(z) L2 ohne PCV(z) Differenzen in der Lage zu ViGO nicht signifikant!

17 Einfluss der PCV auf das Postprocessing Höhenunterschiede der Berechnungen LEICA LGO/SKI-PRO mit/ohne PCV(z) zu ViGO PCV(z) = elevationsabhängige Phase Center Variations Abweichung zum Mittelwert [mm] 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Leica Antenne AT502-5,0 ohne PCV(z) -10,0-15,0-20,0 Vergleich der Höhen in Abhängigkeit von der Auswertemethode L1, L2, L1+L2 und der PCV s grün: nur L1 blau: nur L2 rot: L1+L2 Leica Antenne AT502 mit PCV(z) NGS LEIAT502 Antenne ohne PCV(z) NGS LEIAT502 Antenne mit PCV(z) S8 Antenne ohne PCV(z) S8 Antenne mit PCV(z) statische Messungen à 30 min ausgewertet mit LEICA-LGO/SKI-PRO L1 L2 L1L2 Einfluss der PCV < 15 mm S8 Antenne = kalibrierte Antenne vom LVermA NRW Signifikante Differenzen bei Verwendung von L2 bzw. L1+L2!!!!

18 Ergebnisse des Nutzerforums 2004: Systematische Höhendifferenz von +15 mm bei SKI-Pro zwischen L1- und L2-Berechnung! Gemeinsame L1/L2-Auswertung ergibt exakt den Mittelwert der beiden Einzelauswertungen! Systematische Höhendifferenzen zu ViGO: ViGO - SKI-Pro (L1): +10 mm ViGO - SKI-Pro (L2): +25 mm ViGO - SKI-Pro (L1/L2): +17 mm ViGO - SAPOS HEPS (FKP): +17 mm ViGO - SAPOS HEPS (VRS): +18 mm haben sich auch hier exakt bestätigt! Mehrere Datensätze wurden an LEICA zwecks weiterer Analysen übergeben...

19 Sonderanwendungen mit SAPOS Hybrides Fahrzeugnavigationssystem zur direkten Georeferenzierung der Bilddaten von zwei photogrammetrischen Kameras mittels INS, GPS, Odometer

20 Einsatz von SAPOS Kalibration aller Systemkomponenten in einem einheitlichen UTM-Bezugskoordinatensystem mittels eines speziellen Testfeldes mit codierten Zielmarken mm - genaue 3D- Vermessung der Zielmarken mit einem Industriemessystem cm - genaue absolute Postionierung des Testfeldes mittels SAPOS-GPPS und ViGO

21 Einsatz von SAPOS Automatisierte stereographische Aufnahme von Geodaten und deren Georeferenzierung Echtzeitnavigation mit INS, GPS, SAPOS-HEPS und Odometer Automatische wegabhängige Auslösung der beiden Kameras Zusätzlich: Postprocessing mit den im kinematischen Modus aufgezeichenten Rohdaten (1s-Takt) des LEICA GPS-System 500 und SAPOS- GPPS (VRS-Technik) Direkte Berechnung der 6 Parameter der äußeren Orientierung für jedes Bildpaar aus den INS/Odometer und GPS-Daten

22 Kinematisches PDGPS Sehr gut für GPS-Anwendungen geeignet! Kaum Abschattungen! Echtzeitlösung: RTK mit SAPOS-HEPS Postprocessing: LEICA LGO mit SAPOS-GPPS Berechnung einer VRS für die Mitte des Aufnahmegebietes VRS Vorteil des Postprocessings: Nach Lösung der Ambiguities können diese rückwärts auf die vorhergehenden Daten angewendet werden. Dennoch: nicht immer PDGPS- Lösung verfügbar Navigation mit INS + Odometer

23 Kinematisches PDGPS - Beispiel 1 Echtzeitlösung mit SAPOS HEPS rot: DGPS grün: PDGPS (Ambiguities gelöst)

24 Kinematisches PDGPS - Beispiel 1 Postprocessing mit SAPOS GPPS (VRS) rot: DGPS grün: PDGPS (Ambiguities gelöst)

25 Direkte Georeferenzierung der Bilddaten Fotopositionen und Fotonummern linkes Bild rechtes Bild

26 Vergleich der kinematischen Lösungen SAPOS-HEPS mit SAPOS-GPPS Koordinatendifferenzen (Ostkomponente) Echtzeitlösung - LGO-Postprocessing 0,20 0,15 0,10 Differenzen der Ostkomponente systematische Abweichung: 0.1 mm Standardabweichung: 5 mm Ostdifferenz [m] 0,05 0, ,05-0,10-0,15 gelöst nicht gelöst -0,20 Zeit [s]

27 Vergleich der kinematischen Lösungen SAPOS-HEPS mit SAPOS-GPPS Koordinatendifferenzen (Nordkomponente) Echtzeitlösung - LGO-Postprocessing 0,20 0,15 0,10 Differenzen der Nordkomponente systematische Abweichung: 2.0 mm Standardabweichung: 6.6 mm Norddifferenz [m] 0,05 0, ,05-0,10-0,15 gelöst nicht gelöst -0,20 Zeit [s]

28 Vergleich der kinematischen Lösungen SAPOS-HEPS mit SAPOS-GPPS Höhendifferenzen Echtzeitlösung - LGO-Postprocessing 0,60 0,50 0,40 0,30 Differenzen der Höhenkomponente systematische Abweichung: 9.1 mm Standardabweichung: 28.5 mm Höhendifferenz [m] 0,20 0,10 0, ,10-0,20-0,30-0,40 gelöst nicht gelöst -0,50-0,60 Zeit [s]

29 Schlussfolgerung (1) SAPOS-Dienste HEPS und GPPS für statische und kinematische Anwendungen voll einsatzfähig! Systematische Abweichnungen in der Höhe zwischen der LEICA RTK-VRS und LGO/SKI-PRO-VRS-Lösung im Vergleich zu ViGO Systematische Höhendifferenzen nicht durch PCV s erklärbar Ursache vermutlich in der LEICA-spezifischen Verarbeitung der Messdaten von L2 (ViGO-Lösung basiert nur auf L1) Allerdings: Die gleichen Differenzen traten auch bei den im Vorjahr durchgeführten RTK-Vergleichsmessungen mit SAPOS-HEPS (FKP-Technik) mit einem Trimble System 5800 auf...

30 Schlussfolgerung (2) Höhenbestimmungen mit Genauigkeitsanforderungen von 1 cm und besser erfordern unbedingt individuell kalibrierte Antennen Hausgemachte Probleme beim Postprocessing können auch die PCV einer virtuellen Referenzstation und die Auswertesoftware bereiten Auswertung einer VRS mit ViGO erfordert einen Eingriff in die Original-RINEXdatei der vom SAPOS-Server berechneten VRS oder eine Modifizierung der Antennendatei mit dem besonderen Probleme, dass mehrere unterschiedliche VRS-Referenzstationen die gleiche Antennenbezeichnung aufweisen können! LEICA-Auswertesoftware SKI-PRO/LGO kann angeblich auch die PCV aus einer NGS-konformen Antennendatei einlesen, in der Praxis aber leider nicht möglich! Auch die Eingabe der PCV anderer Antennen in den Controller ist äußerst umständlich! Die Anzeige der PCV im Controller ist leider nicht möglich!

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