Genauigkeitsanalyse der SAPOS

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1 Genauigkeitsanalyse der SAPOS -Dienste HEPS mit FKP und VRS im Vergleich zu ViGO von M. Bäumker, H. Horn, J. Schröder 3. SAPOS -Nutzerforum 2004 Köln, Düsseldorf, Arnsberg, Detmold, Münster,,

2 Übersicht Einleitung und Motivation Testgebiet und Beobachtungsverfahren Auswertemethoden und -programme Analyse der Ergebnisse Schlussfolgerung und Empfehlung

3 Einleitung und Motivation Im Rahmen einer Diplomarbeit sollten verschiedene GPS-Messverfahren Messverfahren, u.a.. die SAPOS -Dienste HEPS und GPPS, zur Bestimmung von photogrammetrischen Passpunkten eingesetzt und analysiert werden. SAPOS umfasst 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 Einleitung und Motivation In NRW ist die Anwendung des GPS geregelt in: Richtlinien zum Einsatz von satellitengeodätichen Verfahren im Vermessungspunktfeld - GPS-Richtlinien Stand: vom mit Nachtrag vom Kap : Messverfahren Darin sind u.a. geregelt: Kap : Messungen für Echtzeitauswertungen, Initialisierung Kap : Kontrollen Kap : Mittel- und Differenzbildung

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6 Erwartungen an die RTK-Punktbestimmung Koordinatengenauigkeit von ca. 1 cm bis 2 cm (in ETRS-89 / UTM) bezogen auf die benutzten Referenzstationen GPS-Richtlinie Nr horizontale Koordinatendifferenz aus Doppelmessungen anzustreben maximal AP(1): 0,02 m 0,04 m AP(2), GP, GebP: 0,03 m 0,06 m etwa zwei Drittel der Differenzen sollen die Hälfte der maximal zulässigen Differenz nicht überschreiten. Bei größeren Differenzen ist durch weitere Messung(en)... ein möglicher Fehler zu erklären.

7 Regeln für die GPS-Messungen (Kap. 2.3) Referenzstation Horizontfreiheit Standsicherheit Ungehinderte Abstrahlung der Korrekturdaten Roverstation Zentrierung (< 5 mm) Höhenbestimmung inkl. Exzentrizitäten (< 5 mm) Antenne vom gleichem Typ Antenne gleichartig orientiert (nach Norden) Phasenzentrumsvariationen (PZV) bekannt Initialisierung möglichst ohne Abschattungen (bei RTK-Mess.) Kontrolle durch zweite, unabhängige Bestimmung keine Zwangszentrierung erneute Initialisierung

8 Genauigkeitsanalyse in Aufstellungsgruppen polar mit eigener Referenzstation Auswertetechnik Messverfahren Postprocessing Echtzeit (RTK) Anwendung X X X TP AP Kataster X X X X polar mit vernetzten Referenzstationen nur VRS X Nur VRS im Postprocessing X X

9 Passpunktbestimmung für eine photogrammetrische Befliegung 40 40Passpunkte Passpunkteim imbereich Bereich Ruhr-Uni Ruhr-Uni//FH FHBochum Bochum --gute Horizontfreiheit gute Horizontfreiheit--

10 Beobachtungs- und Auswerteverfahren LEICA System 500 statisch 20 min à 15 s Postprocessing VRS 3 x 10 s Trimble System 5800 FKP 3 x 10 s Real Time SAPOS HEPS SAPOS GPPS - ViGO/VRS t zwischen FKP- und VRS-Messung ca. 1 min. Durchschnittliche Initialisierungsdauer FKP: 35 s VRS: 12 s eigene Referenz - LEICA SKI-PRO Wiederholungsmessung in gleicher Anordnung nach frühestens einer Stunde!

11 Auswertung - Postprocessing Statisch mit VRS (ViGO) - Essen (582) - Hagen (583) - Münster (587) Statisch mit SKI-Pro - polar, eigene Referenz Referenzstationskoordinaten der wurden mit ViGO neu bestimmt (Diplomarbeit Willemsen)! Status: September 2003 Sämtliche Basislinien < 2 km

12 Begriffe Präzision und Genauigkeit gemäß DIN 55350, DIN ,3 präzise und genau nicht präzise und genau präzise und nicht genau nicht präzise und nicht genau

13 Vergleich der FKP-Messungen mit ViGO Lagedifferenzen ViGO - FKP Standardabweichungen [m] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03-0,04-0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 [m] Einzelwerte Mittel Nord: 12 mm Ost: 10 mm Lage: 16 mm Höhe: 24 mm Berechnet aus 2 x 40 = 80 Messungen

14 Vergleich der FKP-Messungen mit ViGO Höhendifferenzen ViGO - FKP [m] 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03-0,04 Einzelwerte Mittel Standardabweichung Höhe: 24 mm; systematischer Fehler: 17 mm

15 Vergleich der VRS-Messungen mit ViGO Lagedifferenzen ViGO - VRS Standardabweichungen [m] 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03-0,04-0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 [m] Einzelwerte Mittel Nord: 9 mm Ost: 10 mm Lage: 14 mm Höhe: 25 mm Berechnet aus 2 x 40 = 80 Messungen

16 Vergleich der VRS-Messungen mit ViGO Höhendifferenzen ViGO - VRS [m] 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03-0,04 Einzelwerte Mittel Standardabweichung Höhe: 25 mm; systematischer Fehler: 18 mm

17 ? Nordwert in mm Vergleich der RTK-Messungen mit ViGO Beispiel: Punkt ? Ostwert in mm 1. Messung FKP 2. Messung FKP Mittel FKP 1. Messung VRS 2. Messung VRS Mittel VRS ViGO-Koord. Mittel Dt zwischen FKP- und VRS-Messung ca. 1 min.

18 Zusammenfassung der Ergebnisse Standardabweichungen (alle Angaben in mm) Lage Höhe FKP VRS FKP VRS Präzision (Mittel aus 10 Ep.) aus 2 zeitversetzte Messungen Genauigkeit (wahrer Fehler im Vergleich zu ViGO) Genauigkeit von ViGO (20 min statische Messung)

19 Analyse der Höhen Verdacht systematischer Effekte in den Höhen spezielle Auswertung mit SKI-Pro (getrennte Auswertung mit L1 und L2) zusätzliche Vergleiche mit ViGO SKI-Pro-Berechungen (statisch) VRS-Berechnungen (SAPOS HEPS) FKP-Berechnungen (SAPOS HEPS)

20 Anzahl der Messungen Höhenproblematik bei Leica SKI-Pro Statische Berechnungen erfolgten: a) nur mit L1-Frequenz b) nur mit L2-Frequenz Höhendifferenzen (L1 - L2) [mm] Festgestellte Höhendifferenzen für L1 - L2: in 30 Punkten alle positiv + 15 mm im Mittel Vermutung: Systematischer Höhenfehler Höhendifferenzen auch zu anderen GPS-Messungen Auswirkung nur auf Höhe!

21 Analyse der SKI-Pro-Berechnung Höhendifferenzen SKI-Pro L1 - L2 50,00 40,00 Einzelwerte Mittel 30,00 [mm] 20,00 10,00 0,00-10,00-20, Lage: nur zufällige Differenzen; Höhe: Systematische Differenz: 15 mm

22 Vergleich ViGO mit SKI-Pro (L1) 0,02 Lagedifferenzen ViGO - SKI-Pro L1 Mittel aus 2 x 20 min statisch mit identischen Roverdaten! [m] 0,01 0,00-0,01-0,02-0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 [m] Einzelwerte Mittel Mittelwerte: Nord: 2 mm Ost: 0 mm Höhe: 10 mm Standardabweichungen Nord: 4 mm Ost: 4 mm Höhe: 14 mm

23 0,02 Vergleich ViGO mit SKI-Pro (L2) Lagedifferenzen ViGO - SKI-Pro L2 Mittel aus 2 x 20 min statisch mit identischen Roverdaten! [m] 0,01 0,00-0,01-0,02 Einzelwerte Mittel -0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 [m] Mittelwerte: Nord: 1 mm Ost: -1 mm Höhe: 25 mm Standardabweichungen Nord: 4 mm Ost: 3 mm Höhe: 27 mm

24 Vergleich ViGO mit SKI-Pro (L1) Höhendifferenzen ViGO - SKI-Pro L1 0,04 Einzelwerte Mittel 0,03 [m] 0,02 0,01 0,00-0, Mittelwert Höhe: 10 mm; Standardabweichung Höhe: 14 mm

25 Vergleich ViGO mit SKI-Pro (L2) 0,05 Höhendifferenzen ViGO - SKI-Pro L2 0,04 [m] 0,03 0,02 0,01 0,00 Einzelwerte Mittel Mittelwert Höhe: 25 mm; Standardabweichung Höhe: 27 mm

26 Problemanalyse 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 Diese Höhenproblematik wurde auch schon bei anderen Messungen vermutet!

27 Beispiel: Messungen TP-Feld Borken Ell. Höhe [m] 82,150 Graphische Auswertung "Höhe" Punkt A003 4 VRS-Messungen (SAPOS HEPS) à 300 s 82,100 82,050 82,000 81,950 81, Messung 1.Messung Höhen 2.Messung Höhen 3.Messung Höhen 4.Messung Höhen 1. Messung Mittelwert 2. Messung Mittelwert 3. Messung Mittelwert 4. Messung Mittelwert Vigo-Höhe Mittel

28 Resümee (1) Kontrollmessung gemäß GPS-Richtlinien NRW Absatz 1 problematisch hinsichtlich der erwarteten Genauigkeit Fazit: Präzise - aber nicht genau! Durchgreifende Kontrolle nur durch eine zeitlich versetzte Wiederholungsmessung (Zeitabstand > 30 min.) FKP und VRS gleichwertig hinsichtlich ihrer Genauigkeit: Lage: 15 mm Höhe: 20 mm

29 Resümee (2) Systematische Höhendifferenzen bei SKI-Pro zwischen L1- und L2-Auswertung beim Vergleich ViGO mit SAPOS HEPS (FKP) beim Vergleich ViGO mit SAPOS HEPS (VRS) Schlussfolgerung Höhenbestimmung mit GPS weist noch ungeklärte Systematiken im 2 cm-bereich auf! Vermutung: ViGO-Höhen nicht korrekt! SKI-Pro-Auswertung mit L1/L2 problematisch!