Entwicklung eines Testmanagements zur Genauigkeitsuntersuchung von SAPOS

Entwicklung eines Testmanagements zur Genauigkeitsuntersuchung von SAPOS René Friedel, Rainer Schützle und Manfred Stober Kurzfassung...2 1 Einleitung und Zielsetzung...3 1.1 Allgemeines zu SAPOS...3 1.2 Das Testgebiet...4 1.3 Ergebnisse...5 2 Testmanagement...9 2.1 Prinzip des Testverfahrens...9 2.2 Realisierung des Testverfahrens durch automatische Steuerung der SAPOS- Messung...10 3 Automatische Auswertung der Messergebnisse...15 3.1 Auswerteprogramm...15 3.2 Auswertebeispiele...18 4 Zusammenfassung...25 Literatur...26 Autoren...27-1 -

Kurzfassung Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Überprüfung von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Hochpräzisen-Echtzeit- Positionierungs-Service von SAPOS (SAPOS-HEPS) in Baden-Württemberg. Das Landesvermessungsamt Baden-Württemberg als Systembetreiber von SAPOS ist bestrebt, seine Dienste regelmäßig zu kontrollieren, auch um die Qualität von SAPOS gegenüber den Kunden nachzuweisen. Mit Hilfe des entwickelten Testverfahrens können nun Tests nach einheitlichen Vorgaben durchgeführt werden. Durch die entwickelten Testwerkzeuge (Software) ist es möglich, die Messungen und die anschließende Auswertung weitgehend zu automatisieren und so den Aufwand für die Qualitätskontrolle zu minimieren. - 2 -

1 Einleitung und Zielsetzung 1.1 Allgemeines zu SAPOS Im Vermessungswesen werden Genauigkeiten im Zentimeterbereich oder besser benötigt. Um das zu erreichen, bedient man sich eines speziellen Verfahrens, der sogenannten GPS- Phasenmessung. Zusätzlich zur Codemessung wird die Phasenlage der Trägerfrequenz ausgewertet. Um die geforderte Genauigkeit zu erreichen, müssen Fehlereinflüsse auf die Satellitensignale sowie Instrumentenfehler ausgeschaltet werden. Die messtechnische Lösung hierfür heißt Differenzenbildung. Es wird angenommen, dass bei einer Messung mit zwei GPS- Empfängern gleiche Fehlereinflüsse wirken, sofern sie nahe beieinander liegen. Beide Positionen sind demnach gleich verfälscht, der Positionsunterschied (Basislinie) ist aber sehr genau bestimmbar. Sind die Koordinaten von einem der beiden Punkte bekannt (Referenzstation), so kann durch Addition des gemessenen Positionsunterschiedes der andere Punkt (Rover) bestimmt werden. Dieses Verfahren hat sich in der jüngeren Vergangenheit in der Vermessungspraxis etabliert und liefert Ergebnisse je nach Basislinienlänge im Bereich weniger Millimeter bis Zentimeter. Das Verfahren kann sowohl im Postprocessing (die Berechnung der Ergebnisse erfolgt erst nach der Messung z. B. im Büro) oder auch in Echtzeit (die Neupunktkoordinaten stehen schon im Feld zur Verfügung) angewendet werden. Dieses Verfahren hat aber auch Nachteile. So werden immer 2 GPS-Empfänger gleichzeitig benötigt. Bei den derzeitigen Empfänger-Preisen ist das ein erheblicher Kostenfaktor. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde von der AdV beschlossen, den Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung (SAPOS) einzurichten. SAPOS ist ein genormtes bundesweites GPS-Referenzstationsnetz, das durch die jeweiligen Landesvermessungsämter betrieben wird. Das Netz besteht in Baden-Württemberg (DICK & DERENBACH 2003) aus 16 eigenen Referenzstationen, meist auf den Dächern der (bisherigen) Staatlichen Vermessungsämter. In die Berechnung fließen aber auch Daten von Stationen angrenzender Bundesländer mit ein, sodass insgesamt 33 Referenzstationen zur Verfügung stehen. Alle Referenzstationen messen permanent und senden die Rohdaten direkt an die Zentrale. Die Zusammenführung und Berechnung der Daten übernimmt die Abteilung Geodäsie beim Landesvermessungsamt in Karlsruhe. Unter Berücksichtigung der Soll- Koordinaten werden für jede Station Korrekturwerte ermittelt. Durch die Einbeziehung der Daten aller Stationen zum gleichen Zeitpunkt in Form einer Vernetzungsberechnung können nun auch für Positionen zwischen den Referenzstationen Korrekturwerte interpoliert und an den Rover übertragen werden. Der Nutzer benötigt im Feld keine eigene Referenzstation mehr, er bekommt die entsprechenden Korrekturdaten für seine GPS-Messung per Mobilfunk (Handy) in Echtzeit übertragen. Zur Ermittlung der Roverposition gibt es 2 Verfahren (LANDAU et al. 2002, WANNINGER 2000). Beim Verfahren Virtuelle Referenzstation (VRS) berechnet die SAPOS-Zentrale - 3 -

Beobachtungsdaten für eine Position nahe dem Rover. Diese Beobachtungsdaten werden vom Rover so behandelt, als kämen sie von einer reellen Referenzstation. Fast alle Nutzer verwenden zur Zeit dieses Verfahren. Bei der Verwendung von Flächenkorrekturparametern (FKP) erhält der Rover zum einen die Korrekturdaten der nächstgelegenen SAPOS-Referenzstation. Die Informationen aus der Vernetzungsberechnung werden dann über einen weiteren Korrekturfaktor berücksichtigt. Dieses Verfahren ist derzeit für kinematische Anwendungen besser geeignet. Während der Einführungsphase bis Anfang 2004 war SAPOS kostenlos. Seither ist der Dienst aber gebührenpflichtig. Der Betreiber ist nun verpflichtet, die Qualität seiner Produkte durch ständige Kontrollen nachzuweisen. Zu diesem Zweck sollte auf Anregung des Landesvermessungsamtes Baden-Württemberg an der Hochschule für Technik Stuttgart ein Test-Konzept entwickelt werden (FRIEDEL & SCHÜTZLE 2004). Aufgabe war es, alle relevanten Kriterien zur Überprüfung von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu identifizieren und daraus ein einheitliches Testverfahren für SAPOS zu entwickeln. Des weiteren sollte die Messung und Auswertung automatisiert werden. Gegenstand dieser Arbeit ist also nicht die Untersuchung von Genauigkeit und Verfügbarkeit von SAPOS, wie es von verschiedenen Autoren, auch vergleichsweise für FKP und VRS, bereits durchgeführt wurde (z.b. ELSNER et al. 1997, LANDAU 2000, SEITZ et al. 2005), sondern die Entwicklung von Testwerkzeugen zur automatisierten Überprüfung der Funktion von SAPOS. Während ein von der TU Dresden entwickeltes Verfahren (AUGATH et al. 2002) hauptsächlich die Validierung von Referenzstationen betrifft, also deren grundsätzliche Eignung feststellt, soll mit unserem Testverfahren die aktuelle und somit veränderliche Qualitätskontrolle für den mobilen Nutzer ermöglicht werden. Die Integritätsüberwachung, die CHEN et al. 2004 vorschlagen, bezieht sich hauptsächlich auf Kennzahlen für ionosphärische Störeffekte, die zwar einen wesentlichen, aber eben nur einen Teil des Fehlerbudgets darstellen. 1.2 Das Testgebiet Obwohl -wie oben erwähnt- nicht die Genauigkeitsuntersuchung von SAPOS im Vordergrund stand, musste doch, um festzustellen, was und mit welchen Zeitabschnitten zu testen war, zunächst ein Überblick der auftretenden Fehler bei SAPOS und deren Größenordnung beschafft werden. Hierzu waren SAPOS-Messungen über einen größeren Zeitraum auf bekannten Punkten (Sollkoordinaten) durchzuführen. Die neuerdings veröffentlichten Testmessungen der Universität Karlsruhe (SEITZ et al. 2005), die eine ähnliche Zielsetzung hatten, waren den Autoren unbekannt und lagen damals noch nicht vor. Ziel war es, Punkte mit unterschiedlicher Entfernung von den SAPOS-Referenzstationen mit übergeordneter Genauigkeit im System ETRS89 zu bestimmen. Dazu wurden folgende Punkte ausgesucht: Punkt in unmittelbarer Nähe einer SAPOS-Referenzstation: Messdach der HfT Stuttgart (HfTS), ca. 150 Meter entfernt vom Landesvermessungsamt Stuttgart. Punkt in Maschenmitte der SAPOS-Masche Nördlingen-Schwäbisch Hall-Geislingen: Aalen, ca. 28 km entfernt von der nächstgelegenen Referenzstation Nördlingen. - 4 -

Abbildung 1: Versuchsaufbau (Masche ohne Referenz Stuttgart) Punkt in extremer Entfernung und Maschenmitte: Simuliert durch Ausschaltung der Station Stuttgart, Messungen auf Punkt Messdach HfTS. Die Sollkoordinaten der Punkte wurden durch Langzeitmessungen sowohl im statischen Modus mit Postprocessing als auch mittels SAPOS bestimmt. 1.3 Ergebnisse Bei den Testmessungen der HfT Stuttgart konnten zum Teil große Abweichungen vom Soll festgestellt werden. Ursachen waren oftmals Ausfälle in der Datenübertragung zwischen den Referenzstationen und der SAPOS-Zentrale in Karlsruhe sowie Probleme mit der Vernetzungsberechnung. Des weiteren sind kurzzeitige, äußerst unregelmäßig auftretende Ausreißer beobachtet worden, deren Ursachen wohl bei SAPOS liegen. - 5 -

Abbildung 2: Ausreißer bei der Langzeitmessung Bei weiterführenden Untersuchungen sind dann einzelne Faktoren gezielt auf ihren Einfluss auf eine SAPOS-Messung getestet worden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Genauigkeit einer Punktbestimmung mit SAPOS nicht von der Beobachtungsdauer abhängig ist. Im Gegenteil: Mit zunehmender Beobachtungsdauer nahm die Punktgenauigkeit sogar ab. Tabelle 1: Standardabweichungen [m] bei unterschiedlicher Beobachtungsdauer Beobachtungsdauer East North Höhe Lage 1 Sekunde 0,0077 0,0071 0,0131 0,0105 5 Sekunden 0,0087 0,0077 0,0159 0,0116 10 Sekunden 0,0085 0,0043 0,0173 0,0095 20 Sekunden 0,0083 0,0073 0,0169 0,0110 30 Sekunden 0,0067 0,0058 0,0121 0,0089 60 Sekunden 0,0111 0,0079 0,0185 0,0136 Bei Tests mit verschiedenen Abständen zur nächstgelegenen Referenzstation zeigte sich, dass bei Messungen in der Mitte einer SAPOS-Masche die Genauigkeit in der Lage nur wenig abnimmt, die Höhenkomponente aber wesentlich schlechter bestimmt werden konnte. Ein Grund dafür ist wohl bei den verwendeten Troposphärenmodellen zu suchen. Die hauptsächlich in der Höhe wirkenden troposphärischen Einflüsse können nur bei geringen Höhenunterschieden zu den nächstgelegenen Referenzstationen zuverlässig korrigiert werden. - 6 -

Abbildung 3: Lagedifferenzen bei unterschiedlichen Entfernungen zu den Referenzstationen Abbildung 4: Höhendifferenzen bei unterschiedlichen Entfernungen zu den Referenzstationen - 7 -

Vergleichsmessungen der beiden SAPOS-Verfahren Virtuelle Referenzstation (VRS) und Flächenkorrekturparameter (FKP) führten in ihrer jeweiligen Relativgenauigkeit zu ähnlichen Ergebnissen. Bei der Absolutgenauigkeit traf dies nur für die Lagekomponente zu. Die FKP- Höhen zeigten einen konstanten Versatz zu den VRS-Höhen. Der Grund hierfür liegt wieder bei den Troposphärenmodellen. Bei VRS werden aufgrund der höheren Rechenkapazitäten in der SAPOS-Zentrale komplexere Modelle verwendet. Beim Verfahren FKP werden diese Berechnungen aber auf dem Rover durchgeführt. Es kommen deshalb weit einfachere Modelle zum Einsatz, wodurch Differenzen entstehen können. Abbildung 5: Höhenversatz bei FKP gegenüber VRS - 8 -

2 Testmanagement Um eine Validierung von SAPOS auch über größere Zeiträume durchführen und einfach auswerten zu können, sind 2 Programmsysteme entwickelt worden. Mit der einen Software ist es möglich, einen SAPOS-Rover für die Testmessungen von einem Computer aus anzusteuern. Mit dem anderen Programm können die Messergebnisse automatisch in Excel-Tabellen überführt, ausgewertet und in Excel-Diagrammen dargestellt werden. 2.1 Prinzip des Testverfahrens Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen (vgl. 1.3) ist ein Testverfahren abgeleitet worden, welches ein einheitliches Vorgehen und vergleichbare Ergebnisse bei Genauigkeitsuntersuchungen mit SAPOS garantiert. Eine lückenlose Kontrolle kann nur durch permanente Messungen erfolgen. Denkbar wäre es, jeweils eine Referenzstation aus der Vernetzungsberechnung zu nehmen und als Rover zu betrachten. Dies könnte in Form einer Monitoring- Funktion in der SAPOS-Vernetzungszentrale realisiert werden. Die Ergebnisse sind hierbei jedoch korreliert. Eine mögliche Kontrolle, die nicht unbedingt auf permanenten Beobachtungen beruht, bietet das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Feldverfahren: Testumgebung Bei den Testmessungen soll der Korrekturdatendienst SAPOS und nicht die GPS- Messung getestet werden. Dazu werden in Echtzeit ermittelte Koordinaten mit den Soll- Koordinaten der Testpunkte verglichen. Es müssen also alle Fehlereinflüsse, die nicht zu SAPOS gehören, ausgeschlossen werden können. Dies sind vor allem Störungen des GPS-Signals, z.b. durch Abschattungen und Mehrwegeffekte. Die Testumgebung ist deshalb so zu wählen, dass sowohl eine störungsfreie GPS-Messung als auch ein guter Mobilfunkempfang der SAPOS-Daten möglich ist. Gleichzeitig soll die Testumgebung möglichst für das gesamte SAPOS-Gebiet repräsentativ sein. Um auch die für SAPOS-Messungen besonders ungünstigen Regionen im Test zu berücksichtigen, sollen die Testpunkte weit von den nächstgelegenen Referenzstationen entfernt sein und einen möglichst großen Höhenunterschied zu ihnen haben. Testzeitraum Bei nicht-dauerhaften Test-Messungen besteht immer das Problem, dass aus einer begrenzten Anzahl an Messungen auf das gesamte System geschlossen wird. Die Stichprobe muss also so groß gewählt werden, dass die daraus abgeleiteten Ergebnisse zuverlässig sind. Des weiteren muss man auf zeitlich variante Einflussgrößen Rücksicht nehmen. Neben ionosphärischen Einflüssen sind das vor allem auch Mehrwegeffekte, die mit einer Periode von etwa 24 Stunden wiederkehren. Es ist daher empfehlenswert, die Messungen mindestens über einen Zeitraum von 24 Stunden je Punkt durchzuführen. - 9 -

Das gemittelte Ergebnis sollte dann frei von solchen Einflüssen sein. Zeitliche Änderungen in der Genauigkeit von SAPOS werden dadurch aber auch sichtbar. Testablauf Um Fehler bei der Lösung der Phasenmehrdeutigkeiten zu erkennen und um unabhängige Positionsbestimmungen zu erhalten muss der Empfänger vor jeder Messung neu initialisiert, d.h. aus- und dann wieder eingeschaltet werden. Da sich die Satellitenkonstellation sowie die oben genannten Einflussgrößen nur sehr langsam ändern, können zwischen den einzelnen Messungen durchaus Pausen eingelegt werden. Empfehlenswert wäre eine Abfolge von mehreren dicht aufeinander folgenden Messungen. Danach kommt eine Pause von z.b. einer halben Stunde. Nach dieser wiederholt sich der ganze Vorgang. Diese Vorgehensweise trägt auch zur Reduzierung der Mobilfunkkosten bei. Wiederholung Selbst bei einer sehr groß gewählten Stichprobe gründet das Testergebnis immer noch auf einer begrenzten Auswahl an Messungen, die weder zeitlich noch räumlich für das Gesamtsystem repräsentativ sein muss. Es ist daher unbedingt nötig, diese Testmessungen regelmäßig zu wiederholen. Dabei dürfen nicht immer die selben Testpunkte verwendet werden. Es sind vielmehr Punkte im gesamten Vernetzungsgebiet für den Systemtest heranzuziehen. Damit können auch evtl. vorhandene lokale Schwächen im Netzaufbau aufgedeckt werden. 2.2 Realisierung des Testverfahrens durch automatische Steuerung der SAPOS-Messung Das Testverfahren besteht aus einer Vielzahl immer wiederkehrender Messungen. Diese Messungen folgen immer dem gleichen Schema. Während eines Messzyklusses muss der Beobachter zum vorgeschriebenen Zeitpunkt die Messungen auslösen sowie zusätzliche Informationen wie Initialisierungszeit, GDOP, Anzahl verwendeter Satelliten, usw. vom Display des Empfängers ablesen und notieren. Dann folgt wieder eine längere Wartezeit bis wieder exakt die selben Messungen durchzuführen sind. Diese manuelle Durchführung der Messungen ist einem Beobachter kaum zuzumuten. Aufgrund der Gliederung in eine Abfolge immer gleicher Messungen bietet sich eine Automatisierung der Messung geradezu an. Dadurch kann der Personalaufwand stark reduziert werden. Wegen des vollständigen elektronischen Datenflusses verringert sich zusätzlich die Fehleranfälligkeit. Nicht zuletzt stehen alle erfassten Daten sofort digital der weiteren Auswertung zur Verfügung (siehe Abschnitt 3). Der grundsätzliche Ablauf des Messprogramms ist in Abbildung 6 dargestellt. - 10 -

Abbildung 6: Ablauf Mess-Programm Seither war immer nur von der Messung die Rede. Bei genauerer Betrachtung wird aber schnell klar, dass so eine Messung aus mehreren Aktionen besteht. Es muss eine Mobilfunkverbindung zu SAPOS aufgebaut werden, dann folgt die eigentliche Messung, danach die Beendigung der Verbindung zu SAPOS. Sollte z.b. die Einwahl einmal fehlschlagen, darf das natürlich nicht zum Abbruch der gesamten Messung führen. Es müssen vielmehr alle möglicherweise auftretenden Fehler vom Programm abgefangen werden. So wäre es z.b. sinnvoll, nach einem fehlgeschlagenen Verbindungsversuch den Messablauf kurz zu unterbrechen, um dann eine erneute Einwahl zu starten. Das automatische Messprogramm muss also weit mehr können als nur eine Messung am GPS-Empfänger auszulösen. Der Umfang der Messung sowie ihr zeitlicher Ablauf müssen vorab vom Benutzer definiert werden können. Daraufhin muss das Programm den GPS- Empfänger konfigurieren und die Messungen durchführen. Die Messergebnisse werden automatisch registriert und abgespeichert. Um die Bedienung des Programms möglichst einfach und intuitiv zu gestalten, wurde es mit einer grafischen Benutzeroberfläche versehen. Abbildung 7 zeigt das Startformular und Hauptfenster des Programms. Dank der übersichtlichen Menü-Struktur können alle anderen Fenster bequem erreicht werden. - 11 -

Abbildung 7: Screenshot Hauptmenü Im Hauptfenster sind neben Angaben zur Punktnummer und Antennenhöhe vor allem die Messintervalle zu spezifizieren. Die Steuerung der verschiedenen Messintervalle wurde mit 2 Schleifen realisiert. Am Ende der jeweiligen Schleife wird geprüft, ob die vorgegebene Anzahl der Messungen bzw. Messkampagnen erreicht ist. Sind noch Messungen bzw. Kampagnen durchzuführen, wird die vorgegebene Zeit gewartet und dann die Schleife von Beginn an durchlaufen. Die Wartezeit zwischen den Messungen bzw. Kampagnen kann entweder absolut oder relativ angegeben werden. Das bedeutet, der Benutzer kann wählen, ob er die genauen Zeitpunkte zu denen die Messungen starten oder die Wartezeiten zwischen den Messungen angeben möchte. Eine Unterscheidung dieser beiden Fälle war notwendig, da die einzelnen Messungen aufgrund von Wartezeiten, z.b. auf eine Verbindung zu SAPOS oder auf eine präzise Positionslösung, unterschiedlich lange dauern. Während der Messung werden in den Status-Leisten am unteren Rand des Fensters aktuelle Informationen und Status-Angaben angezeigt. So ist dort zu sehen, in welcher Messung und in - 12 -

welcher Kampagne das Programm sich gerade befindet. Daneben wird angegeben, ob gerade gemessen, gewartet oder ob die Verbindung zu SAPOS hergestellt, bzw. getrennt wird. In der nächsten Zeile werden Informationen zur aktuellen Position, GDOP, Satellites in View, sowie der Qualitäts-Index der Positionierung angezeigt. In der untersten Zeile sind Informationen zur seriellen Schnittstelle des Computers angegeben. Nach Betätigung des Buttons Messung Starten im Hauptmenü erscheint das Fenster Einstellungen Messung. Hier können alle für die Messung relevanten Einstellungen vorgenommen werden. Im Blatt SAPOS (Abbildung 8) werden die Einwahl-Nummern des Korrekturdatendienstes eingestellt. Standardmäßig wird eine Einwahl-Nummer verwendet. Diese kann entweder aus der Liste ausgewählt oder selbst eingegeben werden. Bei einer selbst eingegebenen Nummer ist dann auch noch das SAPOS-Verfahren (VRS oder FKP) auszuwählen. Durch Aktivieren von 2 Einwahlnummern alternierend können abwechselnd zwei SAPOS- Einwahlnummern verwendet werden. Dies ist besonders bei Vergleichsmessungen, etwa zwischen den beiden Verfahren VRS und FKP, von Vorteil. Wurde diese Option gewählt, so ist die zweite Nummer und das verwendete Verfahren zu konfigurieren. Abbildung 8: Screenshot Einstellungen Messung SAPOS Bei der Registrierung der Messergebnisse besteht die Möglichkeit, die Koordinaten im Format ETRS 89 geographisch oder in der UTM-Abbildung abzuspeichern. Während einer SAPOS-Messung müssen verschiedene Zustände am Empfänger abgewartet werden, ehe mit dem nächsten Schritt fortgefahren werden kann. So können erst SAPOS- Korrekturdaten abgefragt werden, wenn die ungefähre Position des Rovers, die sog. Navigationslösung vorliegt. Ähnlich verhält es sich mit dem Speichern der Messwerte. Der - 13 -

Rover benötigt eine gewisse Zeit bis er die Phasenmehrdeutigkeiten zu den Satelliten gelöst hat und eine präzise Positionslösung liefern kann. Erst jetzt kann die gemessene Position als Messwert abgespeichert werden. An diesen beiden Stellen wartet das Messprogramm, bis die entsprechenden Genauigkeitsstufen erreicht sind. In seltenen Fällen kann es aber vorkommen, dass der Empfänger das geforderte Genauigkeitsmaß nicht erreicht. Hier besteht die Gefahr, dass das Programm nun in der Warteschleife hängen bleibt und die folgenden Messungen nicht mehr durchführen kann. Aus diesem Grund wurde der Reiter Zeitlimits implementiert. Hier müssen maximale Wartezeiten angegeben werden, nach denen die aktuelle Messung abgebrochen und mit der nächsten planmäßigen Messung fortgefahren wird. Für die Testmessungen während der Programmentwicklungen standen zwei GPS-Empfänger vom Typ Leica SR530 zur Verfügung. Leica bietet seinen Kunden über das sog. Outside World Interface (OWI) die Möglichkeit, nahezu alle Funktionen des Empfängers von einem Computer aus zu steuern. Das OWI enthält dazu eine Sammlung von Kommandos und Nachrichten, um Anweisungen und Daten zwischen Computer und Empfänger auszutauschen. Dabei ähnelt die Syntax dem NMEA-Standard zum Übertragen von Navigationsdaten. Dabei werden sämtliche Daten als Messages (Nachrichten) übertragen. Leica unterteilt die OWI-Nachrichten dabei in 3 Bereiche: Anfragen (engl. Query) Steuerbefehle (engl. Set) Antworten vom Sensor (engl. Response) Die Kommunikation des Steuerprogramms mit dem GPS-Sensor läuft nun im Prinzip ab wie ein Frage-Antwort-Spiel. Das Programm sendet eine Anfrage oder einen Steuerbefehl an den Sensor. Der Sensor bestätigt sofort die Anfrage mit dem Hinweis, ob die Anfrage bzw. der Befehl gültig und syntaktisch richtig ist, oder ob und wenn ja, welcher Fehler aufgetreten ist. Ist alles richtig gelaufen wird die Anfrage bearbeitet, bzw. der Befehl ausgeführt. Sämtliche Messergebnisse werden in einer Textdatei gespeichert. Die Ergebnisdatei enthält folgende Daten: Punktnummer Status der Messung (gemessen oder abgebrochen wegen Zeitüberschreitung) Datum und Uhrzeit Koordinaten (Lage und Höhe) Instrumentenhöhe und Art der Höhenmessung Uhrzeit (UTC vom GPS-Empfänger) Dauer der Empfängerinitialisierung GDOP Anzahl der verwendeten Satelliten angewählte SAPOS-Telefonnummer verwendetes SAPOS-Verfahren (VRS oder FKP) Diese Textdatei bildet die Grundlage für die weitere automatische Auswertung der Messung (siehe 3). - 14 -

3 Automatische Auswertung der Messergebnisse 3.1 Auswerteprogramm Ziel der Automation im Bereich der Auswertung war es, ein Programm zu entwickeln, das die Messdaten nach einheitlichen Gesichtspunkten auswertet. Messung und Auswertung sollten ohne weitere Schritte ineinander übergehen. Die Auswertung umfasst somit die Aufbereitung der Messdaten, die Überführung der Daten aus der Textdatei nach Excel, die Berechnung der relevanten Größen und die graphische Präsentation der Ergebnisse. Die gemessenen und registrierten Daten liegen oft in den unterschiedlichsten Formen vor. Häufig werden GPS-Messdaten abhängig von der Software des Rovers in binärer, herstellerspezifischer Form gespeichert. Die Gerätehersteller bieten jedoch die Optionen, Messdaten direkt in eine Textdatei zu speichern bzw. die binär gespeicherten Daten in eine Textdatei zu konvertieren. Folglich kann jeder, der Messdaten erfasst hat, diese in die Form einer Textdatei bringen und die darin enthaltenen Informationen beliebig anordnen. Legt man nun fest, wie und in welcher Form die Messdaten in der Textdatei stehen sollen, so ist auch das Auswerteprogramm für jedermann einsetzbar. Die Auswertung ist für drei Eingangsdateien implementiert worden. In erster Linie wurde die Auswertung auf die Textdatei der automatisch registrierten Daten (Abschnitt 2.2) abgestimmt, da sie den größten Informationsgehalt bietet. Des Weiteren können die mit Leica ausgegebenen Textdateien, sowie Daten, welche der Form des Standard-Formates entsprechen, ausgewertet werden. Abbildung 9: Prinzip der automatisierten Auswertung - 15 -

In welchen einzelnen Schritten das Programm durchlaufen wird soll in Abbildung 10 gezeigt werden. Abbildung 10: Programmablauf der Auswertung im Überblick - 16 -

Anhand der Programmoberfläche soll nun die Bedienung des Programms erläutert werden. Der Anwender wählt den entsprechenden Option-Button, um dem Programm mitzuteilen, welchen inneren Aufbau die Textdatei mit den Messdaten besitzt. Die Angabe der UTM-Zone ist nur beim Leica-Format erforderlich, da SKI-Pro in seinen Projekten die Zonennummer separat verwaltet und diese beim Speichern der Messwerte in eine Textdatei nicht mit ausgibt. Der mittlere Bereich der Programmoberfläche ist für die Administration der Sollkoordinaten gedacht. Sollkoordinaten können hier eingegeben, ersetzt oder gelöscht werden. Die Liste wird gespeichert, so dass bei erneutem Programmstart alle bereits erfassten Punkte zur Verfügung stehen. Alle für die Auswertung der Testmessung benötigten Sollpunkte können nun in der Koordinatenliste selektiert werden. Sofern alle Punkte der Liste ausgewählt wurden, filtert das Programm zur Laufzeit diejenigen Punkte heraus, welche mit der Leitpunktnummer der Testmessung übereinstimmen. Abbildung 11: Oberfläche Auswerteprogramm Bei der Datenaufbereitung erfolgt zum einen die ordnungsgemäße Verteilung der aus der Textdatei gelesenen Werte in die entsprechenden Excel-Spalten, zum anderen werden alle - 17 -

Informationen, welche nicht direkte Testmessungen sind, gefiltert und auf ein anderes Excel- Blatt geschrieben. Dies sind beispielsweise die Daten von (virtuellen) Referenzstationen. Die Berechnungen umfassen: Differenzenbildung zum Sollwert (Rechtswert, Hochwert, Höhe) Mittelwertbildung (je Einwahlnummer und Leitpunkt) Differenzen zum Mittelwert Lageabweichungen, sowie die Ermittlung von Minima und Maxima Standardabweichungen Häufigkeitsverteilung Um die in Zahlen vorliegenden Ergebnisse besser interpretierbar zu machen, werden folgende Diagramme erstellt: Differenzen im Rechts- und Hochwert zum Sollwert / Mittelwert (Balkendiagramm) Lage im Grundriss mit Abweichungen zum Sollwert (Punktdiagramm) Lageabweichungen / Höhenabweichungen zum Sollwert (Balkendiagramm) Häufigkeitsverteilung von Lage- und Höhenabweichungen zum Sollwert (Balkendiagramm) Lage- und Höhenabweichungen (Liniendarstellung) mit GDOP (Punktdarstellung) und Anzahl verfügbarer Satelliten (Balkendarstellung) Lage- und Höhenabweichungen (Liniendarstellung) mit zugehöriger Initialisierungszeit (Balkendarstellung) Als Unterscheidungskriterium bei der Auswertung wird sowohl der Leitpunkt als auch die Einwahlnummer herangezogen. Somit können optimal Vergleiche gezogen werden (VRS / FKP oder Vernetzungsberechnung mit / ohne nächstliegender Referenzstation). 3.2 Auswertebeispiele Das Ergebnis der automatischen Auswertung ist eine Excel-Datei. Zur besseren Interpretation der Berechnungen werden Diagramme erstellt. Beispielhaft sind im folgenden einige dieser Diagramme dargestellt. Werden die Ergebnisse von Messungen mit den Verfahren VRS / FKP oder Vernetzungsberechnungen MIT / OHNE die nächstgelegene Referenzstation miteinander verglichen, so findet eine automatische Aufteilung bzw. Darstellung nach der Einwahlnummer statt. Abbildung 12 stellt die Lagedifferenzen zum Sollwert als Säulen dar. Jede Säule entspricht einer Messung. In dem dargestellten Beispiel wurden 5 Messungen innerhalb einer Initialisierung durchgeführt. Die Messung erfolgte alternierend mit den zwei Verfahren (siehe Einwahlnummer: VRS entspricht 072116171, FKP entspricht 072116172). Alle Differenzen wurden auf die Zeitachse - 18 -

(horizontale Achse) aufgetragen und die Größe der Abweichungen in Meter angegeben (vertikale Achse). Abbildung 12: Beispiel Vergleich von Lageabweichungen zwischen VRS und FKP Für die Berechnung der virtuellen Referenzstation können in der Vernetzungszentrale komplexe Modelle herangezogen werden. Beim Verfahren FKP stehen durch die beschränkte Rechnerleistung des Rovers nur einfache Modelle zur Verfügung. Die in Abbildung 5 erkennbaren Unterschiede, bedingt durch unterschiedliche Einflüsse der Troposphäre, treten im Diagramm, Abbildung 13, nicht auf. - 19 -

Abbildung 13: Beispiel Höhenvergleich zwischen VRS- und FKP-Höhen Untersuchungen, ob die Punktlagen stärker in Nord-Süd-Richtung oder eher in West-Ost- Richtung streuen, können ebenfalls vorgenommen werden (Abbildung 14). Abbildung 14: Beispiel Untersuchung der Nord-Süd bzw. West-Ost-Abweichungskomponente - 20 -

Um schnell ein Bild über die tatsächliche Punktlage in Bezug auf den Sollwert zu erhalten, wurden die Lageabweichungen im Grundriss dargestellt. Inwiefern Ergebnisse aus unterschiedlichen Verfahren gegenüber dem Sollpunkt streuen bzw. inwiefern Lösungen innerhalb einer Initialisierung voneinander abweichen, wird schnell ersichtlich. Abbildung 15: Beispiel Vergleich von Lageabweichungen zum Sollwert (Grundriss) Eine kombinierte Darstellung verschiedener Einflussgrößen ermöglicht es, Messungen zu identifizieren, die unter gleichartigen Bedingungen beobachtet wurden und dennoch stark streuen. Unterschiedliche Ergebnisse innerhalb einer Initialisierung heben sich bei dieser Darstellungsform besonders ab. Im Beispiel Abbildung 16 sind trotz gleichartiger Bedingungen (gleiche Anzahl an verfügbaren Satelliten bzw. konstanter GDOP) in den hervorgehobenen Bereichen deutlich Ausreißer zu erkennen. - 21 -

Abbildung 16: Beispiel Differenzen und äußere Bedingungen Um Aussagen treffen zu können, ob die Initialisierungsdauer einen Einfluss auf die Positionsgenauigkeit hat, wird den Differenzen die Zeit bis zur präzisen Positionslösung in Form eines Säulendiagramms hinterlegt (Abbildung 17). Stellt man die Abweichungen in Form einer Trendlinie dar, so wird deutlich, wie stark einzelne Positionspositionen innerhalb einer Initialisierung streuen können. Es kann im linken Teil beobachtet werden, dass trotz langer Initialisierungsdauer das Positionsergebnis gut ist und umgekehrt im rechts hervorgehobenen Fall ein schlechtes Ergebnis trotz kurzer Initialisierungszeit vorliegt. Wurde bei der automatisierten Messung ein Zeitlimit zum Erreichen der präzisen Lösung vorgegeben und wurde diese Grenze überschritten, so erfolgt ein Abbruch der momentanen Messung. In diesem Fall werden keine Positionen registriert und es ist folglich in diesen Bereichen keine Darstellung möglich. Somit kann schnell festgestellt werden, welche Zeiten ungünstig für eine präzise Positionsbestimmung waren bzw. sind. - 22 -

Abbildung 17: Beispiel Differenzen mit der benötigten Zeit bis zum Fixing Wie häufig die Positionen in einem bestimmten Bereich ermittelt wurden kann auf den Häufigkeitsdiagrammen eingesehen werden. In den Abbildung 18 und Abbildung 19 werden die Verfahren VRS und FKP miteinander verglichen. Eine gleiche Tendenz der Häufigkeiten in der Lage wird deutlich, bei den Höhen ist die Streuung zu stark um eine eindeutige Häufigkeitsverteilung zu erkennen. - 23 -

Abbildung 18: Beispiel Häufigkeitsverteilung der Lageabweichungen (VRS- und FKP-Vergleich) Abbildung 19: Beispiel Häufigkeitsverteilung der VRS- und FKP-Höhen - 24 -

4 Zusammenfassung Jedes kommerzielle Produkt, so auch SAPOS-HEPS, muss dauernd einer Qualitätskontrolle unterzogen werden. Zu testen sind in diesem Fall nicht Mängel des Satellitensystemes GPS, wie etwa Mehrwegeffekte, Abschattungen durch Hindernisse, mangelhafte Satellitenkonstellation oder Mängel der Mobilfunk-Datenübertragung, sondern allein durch den SAPOS- Betreiber zu verantwortende Ausfälle und Genauigkeitsminderungen. Ein Grenzgebiet hierbei stellen die atmosphärischen Fehlereinflüsse dar, die zwar prinzipiell auch bei Verwendung einer eigenen Referenzstation auftreten würden, die aber bei den größeren Referenzpunktabständen innerhalb der SAPOS-Maschen durch die Vernetzungsberechnung aufgefangen werden sollten, was aber je nach Variation der troposphärischen und ionosphärischen Einflüsse nur mehr oder weniger gelingt. Aus diesen Gründen sind die Testmessungen auf Punkten mit bekannten Soll-Koordinaten auszuführen, die bei gutem Mobilfunkempfang möglichst weit von den SAPOS-Referenzstationen entfernt sind und die in möglichst unterschiedlichen Höhen liegen. Auf solchen Punkten muss der SAPOS-Betreiber nach einem vorgegebenen Messprogramm Prüfmessungen vornehmen, die aufzeigen, ob die zur Verfügung gestellten Echtzeitkoordinaten stets mit ausreichender Genauigkeit und Konsistenz erhalten werden. In dieser Arbeit wird ein automatisiertes Messverfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, einen GPS-Empfänger im Feld, als Beispiel Leica SR 530, selbständig zu steuern. Während bei einer herkömmlichen Messung Änderungen im Messablauf manuell getätigt werden müssen, gelingt es so, automatisch ohne manuelles Eingreifen und vorprogrammiert verschiedene Messvorgänge ablaufen zu lassen. Konfiguriert werden können die Anzahl der Messungen bei konstanter Initialisierung, die Zeitunterschiede zwischen unabhängigen Initialisierungen, Ein- und Ausschaltzeiten, Anzahl der Messkampagnen, das Verfahren VRS oder FKP, oder auch beide alternierend. Die Daten und Ergebnisse werden abgespeichert und anschließend ebenfalls automatisch als Excel-Datei ausgewertet. Die Berechnungen umfassen Differenzbildung zu Sollwert oder Mittelwert, Lage- und Höhenabweichungen, Standardabweichungen sowie Zeiterfassungen bis zur Einwahl zu SAPOS sowie bis zur Initialisierung und Erreichen der Präzisen Position. Um diese Ergebnisse besser interpretieren zu können, werden verschiedene Diagramme erzeugt, die noch deutlicher als reine Zahlenwerte Unregelmäßigkeiten in der Qualität offenbaren. Durch die Automation des Testmanagements, bestehend aus Messprozess und der Auswertung, kann somit viel kostbare Arbeitszeit gespart werden. Fehler durch manuelle Eingriffe werden vermieden und eine einheitliche Darstellung ist gesichert. Messungen, die an verschiedenen Tagen mit demselben Ablauf durchgeführt wurden, können in kürzester Zeit aufbereitet und miteinander verglichen werden. Beim Landesvermessungsamt in Karlsruhe haben die Testwerkzeuge bereits im Juli 2004 ihren Einsatz gefunden. Es sei auch an dieser Stelle den Mitarbeitern der Abteilung Geodäsie des LVA für die gute Zusammenarbeit gedankt. - 25 -

Literatur AUGATH, W., BLUMENBACH, T. und WILDT, S.: Qualitätssicherung bei Referenzstationen und in Referenzstationsnetzen. SAPOS-Symposium, 2002, http://wwwgi.geo.tu-dresden.de/gg/publikat/sapos2002.pdf. CHEN, X., LANDAU, H., VOLLATH, U. : Neue Werkzeuge für Integrity Monitoring in Referenzstationsnetzen. AVN, Heft 10, 341-345, 2004. DICK, H.-G. und DERENBACH, H.: Ein Festpunktfeld wird aktiv Aufbau und Betrieb von SAPOS in Baden-Württemberg, Mitteilungen des DVW Landesverein Baden-Württemberg, Heft 2, Oktober 2003. ELSER, CH., GERDAU, L. und KELL, K.: Leistungsfähigkeit des Hochpräzisen Echtzeit- Positionierungs-Service (HEPS) des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS). Vermessungswesen und Raumordnung, 59/3, 157 ff, April 1997. FRIEDEL, René und SCHÜTZLE, Rainer: Entwicklung eines Testmanagements zur Genauigkeitsuntersuchung von SAPOS, Diplomarbeit an der HfT Stuttgart (unveröffentlicht), WS 2003/2004. LANDAU, H.: GPS-Vermessung mit Hilfe von Virtuellen Referenzstationen Theorie, Analyse und Applikationen. Mitteilungen des DVW Landesverein Bayern, Heft 2, 137-151, 2000. LANDAU, H., VOLLATH, U. und CHEN, X.: Virtual Reference Station Systems, Journal of Global Positioning System, Vol. 1., No. 2, 137-143, 2002. SEITZ, K; URAKAWA, M.J.; HECK, B. und KRUEGER, C.: Zu jeder Zeit an jedem Ort Studie zur Verfügbarkeit und Genauigkeit von GPS- Echtzeitmessungen im SAPOS-Service HEPS. ZfV, Nr. 1, 47-55, 2005. WANNINGER, L.: Präzise Positionsbestimmung in regionalen GPS-Netzen. Deutsche Geodätische Kommission, Reihe C, Heft 508, 2000. - 26 -

Autoren Dipl.-Ing. (FH) René Friedel Samtenalweg 24 73432 Aalen rene.friedel@web.de Dipl.-Ing. (FH) Rainer Schützle Weststraße 4 74223 Flein rainerschuetzle@web.de Prof. Dr.-Ing. Manfred Stober Hochschule für Technik Stuttgart Schellingstr. 24 70174 Stuttgart manfred.stober@hft-stuttgart.de - 27 -