Bericht über die Ergebnisse des Vernetzungstests in Niedersachsen 2001

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 1 Bericht über die Ergebnisse des Vernetzungstests in Niedersachsen 21 von Cord-Hinrich Jahn, Tina Ballmann und Uwe Feldmann-Westendorff 1. Einleitung Auf der INTERGEO 2 in Berlin wurde beschlossen, die zurzeit in Deutschland verfügbaren operablen Vernetzungspakete ( der Firma Geo++ und GPSnet der Firma Trimble/TerraSat) in Niedersachsen einem mehrwöchigen Test zu unterziehen. Das Testnetz sollte aus dem bereits vorhandenen Vernetzungsgebiet Südniedersachsen bestehen und 12 SAPOS-Referenzstationen umfassen. Die gesamte Infrastruktur, die für die Funktionalität eines derartigen Vorhabens notwendig ist, wurde von der LGN im Herbst und Winter 2/21 vorbereitet und zur Verfügung gestellt, so dass die anbietenden Firmen ihre Software- Pakete im Februar 21 unmittelbar in der Zentrale in Hannover installieren und konfigurieren konnten. Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Testmessungen sollten die Grundlage für die Entscheidung Niedersachsens bilden, mit welchem Vernetzungspaket der zukünftige SAPOS-Betrieb - ab dem offiziellen Starttermin 1.1.22 - durchgeführt werden soll. Beteiligt an dem Vernetzungstest waren: - Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen (LGN) - Geo++ GmbH, Garbsen - Trimble/TerraSat GmbH, München - Euronav GmbH, Wunstorf. 2. Vorarbeiten Im Vorfeld des Vernetzungstests wurden Gespräche zwischen den Herstellern und der LGN über die Hardwareumgebung, Datenstrukturen und Übertragungsmedien geführt. Grundvoraussetzung für den Betrieb der Softwarepakete war die Verfügbarkeit der Daten der SAPOS-Referenzstationen über das Landesdatennetz in Echtzeit (IZN-Netz; IZN: Informatikzentrum Niedersachsen). SAPOS- Referenzstation (NT; GNREF) IZN-Netz RTCM_AdV RTCM_18,19 GPSnet ISDN ISDN RTCM_2,21 RTCM_18,19 Abb.1: Datenfluss während des Vernetzungstests

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 2 Beide Hersteller haben während der Testphase auf einem gleichen Grunddatenbestand aufgesetzt. Die Firma Geo++ erwünschte das Format RTCM_AdV, die Firma TerraSat das Format RTCM_18,19 als Schnittstelle für ihr jeweiliges Produkt. Diese Formate können von niedersächsischen Referenzstationen ohne weitere Anpassungen zur Verfügung gestellt werden. Neben einem einheitlichen Grunddatenstrom hat die LGN den Anbietern identische Rechner mit dem Betriebssystem Windows-NT 4.-Server zur Verfügung gestellt, so dass für beide Software-Produkte identische Systemplattformen bereit standen. Die Datenabgabe an den Messtrupp im Feld wurde durch ISDN-Ausgänge realisiert, wobei das Format RTCM_2,21 und GPSnet das Format RTCM_18,19 zum jeweiligen Rover übertragen hat. Von den ursprünglich 12 geplanten Stationen konnten aus Anschlussgründen an das IZN-Netz während der Testphase nur 11 Stationen in den jeweiligen Vernetzungen realisiert werden. Der Datenstrom der Station Hildesheim wurde nicht eingeführt. Abbildung 2 zeigt das Vernetzungsgebiet Südniedersachsen in einer Übersicht. Neben den 11 Referenzstationen sind die Grundnetzpunkte als Messpunkte und vier weitere Messgebiete dargestellt, in denen kinematische Messungen auf dem Mittellandkanal durchgeführt wurden. Referenzstation Grundnetzpunkt Kinematische Messungen Abb.2: Vernetzungsgebiet Südniedersachsen

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 3 Das Messgebiet umschließt eine Fläche von ca. 12 km Ost-West und 13 km Nord-Süd Ausdehnung. Die mittleren Abstände zwischen den Referenzstationen betragen 5 km mit Maximalabständen von 6-65 km. Die Höhenunterschiede innerhalb des Netzes reichen von ± 2 m im Nordteil des Netzes über ± 2 m im Mittelgebirgsraum bis zu ± 65 m im Bereich des Harz. Abbildung 2 zeigt außerdem den Rahmen des Messgebietes sowie eine Dreiecksvermaschung, so wie sie vom Programm GPSnet berechnet und dargestellt wird, da dieses Produkt von seinem grundsätzlichen Modellansatz her auf einer Dreiecksvermaschung basiert. Das Basismodell bei setzt dagegen auf einer Netzlösung mehrerer beteiligter Stationen auf, so dass die Darstellung einer Vermaschung eher geometrisch informativen Charakter besitzt. 3. Messbedingungen Um einen möglichst objektiven Vergleich beider Produkte durchführen zu können, wurden die Feldarbeiten sehr streng begrenzt. Gemessen wurde ausschließlich auf 18 Punkten des niedersächsischen Grundnetzes im System ETRF 89, dessen Koordinaten Standardabweichungen in der Lage von s B = ± 4 mm und s L = ± 3 mm sowie in der Höhe von s H = ± 9 mm besitzen. Von diesen Punkten lagen 5 außerhalb des Vernetzungsgebietes. Die Daten einer kalibrierten Antenne (Trimble TRM33429.2) wurden über einen Power-Splitter in zwei Trimble 47 Empfänger geleitet, die jeweils mit der Software-Version 1.3 ausgestattet waren. Zur Bedienung wurden zwei TSC 1-Handrechner mit der Software-Version 7.5 verwendet. Die Elevation wurde auf 1 Grad begrenzt und eine Besetzungszeit pro Punkt von etwa 3 Stunden vereinbart. Das Messgeschehen war so geplant, dass der Außendienst mit zwei Personen besetzt war, die jeweils einen Rover bedienen sollten. Zeitweise war ein dritter Außendienstler mit einem Leica SR 53 anwesend, dem ebenfalls Daten über den Power-Splitter zugeführt wurden. Die Übertragung der Korrekturdaten erfolgte mittels GSM im Modus der "virtuellen Referenzstation mit FKP" für sowie der "virtuellen Referenzstation" bei GPSnet. Die eigentliche Messanordnung im Feld wurde ebenfalls nach einem einheitlichen Muster geplant. Die Möglichkeit zur Initialisierung wurde auf 3 Minuten beschränkt. Konnte der Rover innerhalb dieser Zeit die Mehrdeutigkeiten festsetzen, so erfolgte anschließend eine einminütige Messung (Akkumulierung von Messungen) mit anschließender Speicherung der Ergebnisse im TSC 1. Konnte der Rover die Mehrdeutigkeiten innerhalb der genannten Zeit nicht festsetzen (Anzahl der verworfenen Initialisierungen), so wurde eine neue Initialisierung gestartet. Nach jeweils 1 Speicherungen wurde die GSM-Verbindung neu aufgebaut und eine neue virtuelle Referenzstation übertragen (Neueinwahl in die Zentrale). Die gespeicherten Daten wurden häuslich mit dem Programm DCTOOLS Version 2.26 der Firma Euronav übertragen und vorverarbeitet. Neben der Speicherung der Ergebnisse im TSC 1 wurden sämtliche Rohdaten der Feldstationen aufgezeichnet, um für eine mögliche spätere Auswertung verfügbar zu sein.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 4 Den beteiligten Firmen wurde bereits in der Einrichtungsphase die referenzstationsseitige Nutzung der sogenannten "Nullantenne" mitgeteilt. Somit bezog sich der in die Vernetzungsprozesse eingehende Referenzstationsdatenstrom grundsätzlich auf die um ihre absoluten Offsets und elevations- sowie azimutabhängigen Phasenzentrumsvariationen korrigierten Antennen. Hierfür wurden aus absoluten Feldkalibrierungen stammende Typkalibrierungen für die auf den Referenzstationen vorhandenen Antennentypen TRM33429.2 NONE und TRM33429.2 TCWD genutzt. Da die im Felde genutzte Trimble Roversoftware weder die integrierte Nutzung einer Absolutkalibrierung noch eine offene Antennenschnittstelle bereitstellte, fanden die Feldmessungen zunächst unter Verwendung des Antennentyps "Unknown External" statt. Der resultierende Fehler wurde gegenüber der vorhandenen Möglichkeit der roverseitigen Anbringung einer Trimble Typkalibrierung auf IGS-Niveau als geringer abgeschätzt. Über diese Vorgehensweise wurden die Firmen TerraSat und Geo++ gleichermaßen informiert. Ende März 21 bot die Firma Geo++ eine provisorische Lösung des Problems an, nämlich die a priori Anbringung der roverseitig benötigten Antennenkorrekturen im Korrekturdatenstrom der Software RTCM_OUT. Diese Maßnahme zeigte signifikante Ergebnisverbesserungen insbesondere im Bereich der Genauigkeit der Höhenkomponenten (bis zu 5%) und Lösungszeit TTFA (3%). Somit konnte an dieser Stelle wiederum die enorme Wichtigkeit der konsequenten Nutzung der vollständigen Antennenkalibrierung bis hin zum Rover aufgezeigt werden. 4. Erfahrungen im IZN-Netz Ein optimales Ergebnis eines Programms zur Vernetzung von Referenzstationen wird wesentlich durch die Qualität der eingehenden Daten gesteuert. Im Umkehrschluss kann ein Programm auch daran gemessen werden, ob es mit derartigen Störungen umgehen kann und wie es unter den Einflüssen dieser Störungen reagiert (vgl. Kapitel 6). Das IZN-Netz basiert auf einer alten X.25-Technik des Behördennetzes Niedersachsens. Im Dezember 2 und Januar 21 wurden die ersten 11 SAPOS-Referenzstationen an dieses Netz angeschlossen. Während der Testphase kam es zu zahlreichen Einzelausfällen von Stationen innerhalb dieses Netzes sowie zu ca. 1 Totalausfällen sämtlicher Leitungen. Besonders auffällig waren die Stationen Helmstedt und Alfeld. Während die Verbindungen nach Helmstedt sehr oft ausfielen, konnte man an Hand der Alfelder Daten ein teilweise hohes Datenalter beobachten, was offensichtlich auf die Übertragung größerer Datenmengen des dortigen Katasteramtes zurückzuführen war. Das niedersächsische Landesdatennetz wird ab Mitte des Jahres 21 grundlegend erneuert, wobei ein endgültiger Abschluss dieser Arbeiten 22/23 erreicht sein dürfte. Bis zu diesem Zeitpunkt muss auch die LGN mit Einschränkungen innerhalb dieses Netzes rechnen.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 5 5. Installation der Softwaremodule Die Software GPSnet der Firma TerraSat wurde zwischen dem 6.2. und 8.2.21 in der LGN installiert, bezüglich der Handhabung erläutert und in ersten Messungen, an denen auch die Firma Euronav beteiligt war, getestet. Die Software wurde nicht mit ihrem vollständigen Funktionsumfang installiert, da die offizielle Freigabe der Version 1.5 für März 21 angekündigt war. Das Programmpaket der Firma Geo++ wurde am 14.2.21 installiert und bezüglich seiner Grundfunktionen getestet. Da mit diesem Programmpaket langjährige Erfahrungen seitens der LGN vorliegen, war keine weitere Einarbeitung notwendig. Beide Firmen waren darüber informiert, dass sie sämtliche Grundeinstellungen innerhalb ihrer Module völlig selbständig vorzunehmen hätten, da von Seiten der LGN in der Testphase keinerlei Eingriffe erfolgen sollten. Diese Forderung wurde lediglich mit einer Einschränkung eingehalten, die sich auf die zahlreichen Datenausfälle innerhalb des IZN-Netzes bezog und zu häufigen individuellen Neustarts der Programme führte. Beide Firmen erhielten zu Beginn und zum Ende des März 21 weitere Gelegenheiten ihre Programme zu optimieren. Für den Fall erkennbarer grober Fehler konnte auch von diesem Zeitrahmen abgewichen werden, wobei dieses nicht in Anspruch genommen wurde. 6. Funktionalität der Softwaremodule An dieser Stelle erfolgt keine Beschreibung der Programme, hierfür wird auf die einschlägigen Produktblättern der Firmen verwiesen. Es soll vielmehr auf die - aus unserer Sicht - den Test und die Ergebnisse beeinflussenden Merkmale hingewiesen werden. : Innerhalb des Programms wurden am Ende der Testphase für zwei Tage 12 Stationen verarbeitet (am Ende der Testreihe stand die Station Hildesheim zur Verfügung), wobei während der überwiegenden Zeit des Tests 11 Stationen berechnet wurden. bearbeitet sämtliche eingehenden Daten innerhalb einer strengen Netzlösung und bestimmt die Mehrdeutigkeiten einzelner Satelliten auf beiden Trägerphasen simultan für alle Stationen. Gab es in der Anfangsphase noch vereinzelte Schwierigkeiten mit der Initialisierung neu aufgegangener Satelliten, so zeigte der Algorithmus im März und April 21 ein sehr schnelles (bei einem Neustart durchschnittlich nach 3-5 Minuten) und vollständiges Lösungsverhalten. In der Regel wurden Satelliten kurz nach Überschreiten der 1 Grad Elevationsgrenze (vom Hersteller so eingestellt) festgesetzt, so dass stets alle bzw. nahezu alle auf den Referenzstationen beobachteten Satelliten dem Nutzer vor Ort in Form von Trägerphasenkorrekturen zur Verfügung gestellt werden konnten. Ausfälle einzelner Stationen (z.b. Datenausfälle im IZN-Netz) verkraftete die Software ohne Einschränkungen, wobei die Daten einer solchen Station dann nicht mehr in der Netzlösung enthalten sind. Ein Hinzunehmen einer ausgefallenen Station ist möglich, wenn diese Station bereits zu Beginn des Programmstarts integriert war und führt in den meisten Fällen zu einer Festsetzung der Mehrdeutigkeiten innerhalb einer Minute.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 6 Die Generierung von Flächenkorrekturparametern (FKP) findet in in der Grundeinstellung bezüglich aller an der Vernetzung beteiligten Stationen statt, so dass die Modellbildung auch über große Flächen erfolgen kann. Diese Flächen können stationsweise (in der vorliegenden Version noch manuell) verkleinert werden, was bei stärkeren systematischen Störungen (z.b. Ionosphäre) sinnvoll sein kann. Ausfälle einzelner Stationen wirken sich dabei nicht signifikant auf die Berechnung und Verfügbarkeit der FKP aus. Die Datenabgabe im Programm wird durch den Prozess RTCM_OUT übernommen. Diesem Prozess ist ein ISDN-Zugang zugeordnet über den die Näherungskoordinaten des Rovers im Format NMEA-GGA gelesen werden. Nach der Generierung einer virtuellen Referenzstation mit FKP werden diese Daten an den Nutzer zurückgegeben und können zur Roverpositionierung verwendet werden. Die Wahl der nächstgelegenen Referenzstation wird in der vorliegenden Version noch manuell vorgenommen. Die Basis der Datenkommunikation bildete das GSM, wobei die Vernetzung über Funk in der Vergangenheit seitens des Projektes HPPS hinreichend eingesetzt und unter Beweis gestellt wurde. GPSnet: GPSnet wurde ebenfalls mit maximal 12 Stationen erfolgreich erprobt, wobei auch hier nur 11 Stationen während der eigentlichen Messphase verfügbar waren. Die grundsätzliche Strategie von GPSnet basiert auf Dreiecksvermaschungen. Innerhalb dieser Dreiecke werden die Mehrdeutigkeiten bestimmt und die Korrekturmodelle gebildet. Für jedes Dreieck werden gelöste und beobachtete Satelliten in der Software angezeigt, wobei nach dem Programmstart der Algorithmus voreingestellt 15 Minuten für die Lösung der Mehrdeutigkeiten und der erstmaligen Bereitstellung von Korrekturdaten benötigt. Neu aufgehende Satelliten werden je nach Richtung zuerst in den Dreiecken gelöst, in denen sie auch zuerst beobachtet wurden, so dass in größeren Netzen eine unterschiedliche Anzahl festgesetzter Satelliten und damit verbundener Korrekturen auftreten kann. Die Festsetzung der Mehrdeutigkeiten tief stehender Satelliten sollte ebenfalls bei 1 Grad Elevation einsetzen (vom Hersteller so eingestellt) und erfolgte in der Regel zwischen 1 und 13 Grad. Datenausfälle einzelner Stationen innerhalb des Dreiecksverbandes bewirken Ausfälle aller mit dieser Station verbundenen Dreiecke. Eine anschließende Neutriangulierung wird von der Software nach gewissen Kriterien selbständig durchgeführt, wobei dadurch Dreiecksseiten kritischer Größe entstehen können. Grundsätzlich sollen die Abstände zwischen den Referenzstationen nicht über 5-7 km anwachsen. Dieses Kriterium wurde - bedingt durch die teilweise ohnehin großen Punktabstände innerhalb des niedersächsischen Referenzstationsnetzes - jedoch nicht immer erreicht. Die Verbesserung der Korrekturdaten wegen systematischer Fehler (Modellierung) z.b. der Ionosphäre erfolgt in GPSnet ebenfalls in Dreiecken. Damit wird stets auf die kleinste Flächeneinheit beteiligter Referenzstationen zurückgegriffen, wobei die Methode der VRS (virtuelle Referenzstation) angewandt wird. Diese Berechnungsmethode kann beim Ausfall einzelner Stationen zu Schwierigkeiten führen (s.o.), deren wesentliche Folge ein zunehmender Genauigkeitsverlust der Nutzerpositionierungen innerhalb der resultierenden großen Dreiecke wäre.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 7 Die Datenabgabe innerhalb der Software ist ebenfalls im Rahmen der Dreieckvermaschung gelöst. Die Nutzer wählen sich innerhalb der Software im VRProzessor ein und übertragen ihre Näherungskoordinaten im Format NMEA-GGA. Der Algorithmus findet automatisch das zugehörige Dreieck innerhalb dessen sich der Nutzer im Felde befindet und weist ihm die nächstgelegenen Referenzstation zu. Dieser Vorgang kann in der Zentrale beobachtet werden. Fällt die Bereitstellung der Vernetzung aus, so erhält der Nutzer die grundsätzlichen Korrekturdaten der nächsten Referenzstation (SAPOS-HEPS). Mögliche Unstetigkeiten in der Qualität der Korrekturdaten an den Dreiecksrändern (Übergang in eine neue Fläche) wurden im Rahmen des Vernetzungstests nicht explizit untersucht. Die Möglichkeit einer Vernetzung über das Medium des 2m-Bandes war nicht Gegenstand dieses Tests und wurde demnach auch nicht behandelt. GPSnet soll diesen Funktionsumfang laut Herstellerangabe unterstützen. 7. Ergebnisse der Feldmessungen Nach Installation der Softwarepakete und Nachweis der grundsätzlichen Funktionalität, wurde ab dem 14.2.21 mit den ersten Messungen auf Grundnetzpunkten begonnen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Messausrüstungen zum Teil defekte Komponenten enthielten, die bis Ende Februar ausgetauscht wurden. Die Messungen, die in diesem Kapitel als Ergebnisse dargestellt werden, entstammen somit dem Messzeitraum vom 7.3.21 bis zum 1.4.21. Am 2./3.4.21 wurden darüber hinaus Messungen im Liegenschaftskataster durchgeführt. Im folgenden werden die Ergebnisse des Softwarevergleiches zwischen den beiden Programmpaketen und GPSnet dargestellt. Dabei werden hier primär die Standardabweichungen zum Sollwert aufgeführt. Die Abweichungen zum Mittelwert fallen bei beiden Produkten geringer aus und bestätigen deren innere Genauigkeit. 7.1 Standardabweichungen in der Lage und der Höhe Abb.3 zeigt in chronologischer Reihenfolge die Standardabweichungen des Lagevektors zum Sollwert. Die Punkte, die sich außerhalb der Vernetzungsmasche befinden, sind mit einem A gekennzeichnet. Des Weiteren sind die Punkte, die während des Messzeitraums starke ionosphärische Schwankungen aufwiesen, durch ein I markiert. Zur besseren Anschauung ist der angestrebte Grenzwert von 1,6 cm eingezeichnet.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 8 Standardabweichung Lage - chronologisch (zum Sollwert) 28, 24, : abs. Antennenkalibrierung 2, 16, 12, 8, 4,, A = außerhalb I = starke Ionosphärenschwankungen Messzeitraum vom 7.3.1-1.4.1 sl sl Grenzwert 1,6cm Abb.3: Standardabweichung in der Lage zum Sollwert chronologisch Der jeweils erste vertikale Balken beschreibt die Standardabweichung in der Lage des Softwareproduktes, der zweite die des Produktes GPSnet. Deutlich zu sehen ist, dass bei beiden Produkten der größte Teil der Messungen unter der gewünschten Standardabweichung von 1,6 cm liegt, wobei sich die Ergebnisse von auf einem etwas höheren Genauigkeitsniveau bewegen als die Werte von GPSnet. Ausgenommen ist der Punkt 296, bei dem den ganzen Tag über starke ionosphärische Störungen dominierten. Zusätzlich könnte die ungünstige Lage des Punktes (am Rand der Vernetzung) zu Beeinträchtigungen in der Genauigkeit geführt haben. Ab dem Punkt 2138 wurde bei dem Programm neben den Phasenkorrekturen noch die Werte der Absolutkalibrierung der verwendeten Antenne an den Rover übertragen (vgl. Kapitel 3). Ferner wurde zusätzlich manuell eine Vierecksvermaschung eingestellt. Dabei wurde so vorgegangen, dass nur bei den vier nächstgelegenen Referenzstationen um den zu messenden Punkt die FKP-Berechnung aktiviert worden ist (vgl. Kapitel 6). Somit wurden nicht wie zuvor die FKP für die ganze Vernetzungsfläche berechnet, sondern ähnlich wie bei GPSnet nur für eine kleine ausgewählte Fläche. Ab dem Zeitpunkt, an dem die absolute Antennenkalibrierung und die Vierecksvermaschung bei dem Produkt eingeführt wurde, ist eine signifikante Verbesserung in den Standardabweichungen zu erkennen. Zum einen nehmen sie geringere Werte an, zum anderen bewegen sie sich auf einem konstanteren Genauigkeitsniveau.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 9 Standardabweichung Höhe - chronologisch (zum Sollwert) 64, 56, 48, 4, 32, 24, 16, 8,, : abs. Antennenkalibrierung + Vierecksvermaschung A = außerhalb I = starke Ionosphärenschwankungen Messzeitraum vom 7.3.1-1.4.1 sh sh Abb.4: Standardabweichung in der Höhe zum Sollwert chronologisch In der Abb.4 sind in chronologischer Reihenfolge die Standardabweichungen in der Höhe zum Sollwert aufgeführt. Auch hier lässt sich der Trend feststellen, dass die Werte des Softwarepaketes teilweise eine deutlich bessere Genauigkeit aufweisen als die von GPSnet. Wieder auffällig ist, dass die Einführung der absoluten Antennenkalibrierung und Vierecksvermaschung ein wesentlich stabileres und höheres Genauigkeitsniveau hervorbringt. 7.2 Standardabweichung in Lage und Höhe in Abhängigkeit zur Entfernung zur Referenzstation Die im Rahmen dieses Vernetzungstests gemessen Punkten befinden sich in einer Entfernung von 13 km bis 32 km zu der nächsten Referenzstation. Abb.5 und Abb.6 verdeutlichen, dass eine Entfernungsabhängigkeit sowohl in der Lage als auch in der Höhe erwartungsgemäß nicht vorliegt.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 1 28, 24, 2, 16, 12, 8, 4,, Standardabw. Lage - Entf. zur Referenzstation (zum Sollwert) Entfernung zur Referenzstation [km] sl sl Grenzwert 16mm Abb.5: Standardabweichung in der Lage zum Sollwert Entfernung zur Referenzstation 64, 56, 48, 4, 32, 24, 16, 8,, Standardabw. Höhe - Entf. zur Referenzstation (zum Sollwert) Entfernung zur Referenzstation [km] sh sh Abb.6: Standardabweichung in der Höhe zum Sollwert Entfernung zur Referenzstation 7.3 Ionosphärische Störungen Mittels des Programms WaSoft 2. wurden für den Beobachtungszeitraum jeden Punktes die Indexwerte I95 der ionosphärischen Störungen für das aus den umliegenden Referenzstationen gebildete Dreieck berechnet. Aus diesen für den Messzeitraum (ca. drei Stunden) bestimmten Werten sind Durchschnittsbeträge gerechnet worden, auf denen die Abb.7 basiert. Aufgetragen sind im ersten Balken die Werte für den Gesamtanteil der Ionosphäre, der jeweils zweite und dritte Balken beschreibt die Unterteilung in Nord- und Ostanteil.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 11 Um Aussagen über die Stärke der ionosphärischen Störungen treffen zu können sind die jeweiligen Grenzwerte, von ungestörter Ionosphäre bis zu sehr starken Störungen, eingezeichnet. Ionosphärische Störungen ( Wa-Soft ) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 sehr starke Störungen starke Störungen geringe Störungen ungestört A = außerhalb I = starke Ionosphärenschwankungen Punkt-Nr. Gesamt Nord Ost Abb.7: Ionoshärische Störungen mit WaSoft berechnet Die mit einem I gekennzeichneten Punkte weisen relativ starke ionosphärische Schwankungen innerhalb des Messzeitraumes auf. Das bedeutet, dass z.b. in der ersten Stunde der Indexwert bei 5 lag, in der darauffolgenden Stunde bei 8-9 und in den letzten beiden Stunden wiederum bei 5-6. Im Mittel fällt der Indexwert relativ klein aus. Trotzdem kann die Ionosphäre einen starken Einfluss auf die Messergebnisse haben, da die ionosphärischen Schwankungen innerhalb der Messungen zu Beeinträchtigungen führen können. Lediglich während der Messung des Punktes 27 lag eine ungestörte Ionosphäre vor. Aufgrund dessen konnte die Positionsbestimmung dieses Punktes, trotz seiner Entfernung mit 32 km zur Referenzstation Göttingen (außerhalb des Vernetzungsgebietes), mit einer sehr hohen Genauigkeit bestimmt werden (vgl. Abb. 3 und Abb.4). Insgesamt kann man sagen, dass während der Testmessungen starke bis sehr starke ionosphärische Störungen vorlagen. Dieses kann bei der Verwendung des Trimble 47 Version 1.3, der eine Koordinatenberechnung über eine L 1 -Trägerphase durchführt, zu spürbaren systematischen Restfehlern führen. 7.4 Durchschnittliche Initialisierungszeiten In Abb.8 sind die durchschnittlichen Initialisierungszeiten von und GPSnet aufgeführt. In der Gesamtbetrachtung ist zu erkennen, dass die Initialisierungszeiten bei kürzer sind als bei GPSnet. Auffallend ist der Punkt 2428, wo die Initialisierungszeiten bei mit ca.14 sec mehr als doppelt so hoch sind als bei GPSnet. An diesem Tag traten bei der Bedienung von technische Störungen am verwendeten GSM-Telefon auf, die zu einen schlechten GSM-Empfang führten.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 12 Durchschnittliche Initialisierungszeiten 16 14 12 1 8 6 4 2 : abs. Antennenkalibrierung + Vierecksvermaschung A = außerhalb I = starke Ionosphärenschwankungen Punkt-Nr. GPSNET Abb.8: Durchschnittliche Initialisierungszeiten während der Testmessungen Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Initialisierungszeiten während der gesamten Testmessungen im Durchschnitt akzeptable Werte aufweisen, insbesondere nach der Einführung der absoluten Antennenkalibrierung. 7.5 Durchschnittliche Satellitenanzahl Für die Grafik der durchschnittlichen Satellitenanzahl (Abb.9) wurde zusätzlich für den entsprechenden Messzeitraum die Satellitenanzahl mit WaSoft 2. (3. Säule) berechnet. Für die letzten beiden Punkte konnten mit WaSoft 2. keine Werte berechnet werden, da sich diese Punkte zu weit außerhalb des Vernetzungsgebietes befanden. Durchschnittliche Satellitenanzahl 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 A = außerhalb I = starke Ionosphärenschwankungen Punkt-Nr. GPSNET Wa-Soft Abb.9: Durchschnittliche Satellitenanzahl während der Testmessungen

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 13 Wie zu erkennen ist, gibt es keinen signifikanten Unterschied zwischen der berechneten und im Feld beobachteten Satellitenanzahl. Bei den Programmpaketen und GPSnet sind die Unterschiede marginal. Insgesamt gesehen ist bei beiden Softwareprodukten die Performance, besonders im Hinblick auf die Mehrdeutigkeitslösung aufgehender Satelliten, so gut, dass im Durchschnitt 7 Satelliten zur Verfügung standen (vgl. Kapitel 6). 7.6 Prozentuale Verteilung der Positionen In Abb.1 und Abb. 11 ist jeweils eine zusammenfassende prozentuale Verteilung der Position (zum Sollwert) innerhalb und außerhalb der Vernetzung dargestellt. Dabei werden die Positionen in vier Klassen eingeteilt. Zum einen die Positionen, die unter dem Grenzwert von 1,6 cm liegen und zum anderen die Positionen, die über diesem Grenzwert liegen. Diese Positionen sind wiederum in Klassen mit größer als 1,6 cm, größer als 2 cm und letztendlich größer als 3 cm unterteilt. Prozentuale Verteilung der Positionen (zum Sollwert) innerhalb der Vernetzung Prozentuale Verteilung der Positionen (zum Sollwert) außerhalb der Vernetzung 1 % 9 % 8 % 7 % 6 % 5 % 4 % 3 % 2 % 1 % % < 1,6cm > 1,6cm > 2cm > 3cm 1 % 9 % 8 % 7 % 6 % 5 % 4 % 3 % 2 % 1 % % < 1,6cm > 1,6cm > 2cm > 3cm Abb.1: Prozentuale Verteilung der Positionen zum Sollwert innerhalb und außerhalb der Vernetzung Bei den Positionen innerhalb der Vernetzung liegen bei 8% der Lösungen unter 1,6 cm, entsprechend sind es bei GPSnet 6%. Der Anteil der Lösungen, die über 3 cm liegen ist bei beiden Softwareprogrammen mit maximal 4% verhältnismäßig gering. Außerhalb der Vernetzung fällt aufgrund des geringeren Datenmaterials und der teilweise besseren atmosphärischen Messbedingungen ein größerer Anteil der Positionen unter die Grenze von 1,6 cm. Die Differenz zwischen den beiden Programmpaketen ist geringer, wobei mit 84% im Vergleich zu GPSnet mit 74% weiterhin mehr Lösungen unter 1,6 cm aufweist.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 14 7.7 Betrachtung von Einzelpunkten Exemplarische sind für zwei Punkte jeweils für und GPSnet die Abweichungen zum Sollwert in der Lage dargestellt. Zur besseren Anschauung sind die Grenzen von ±1,1 cm eingezeichnet, aus denen eine Lageabweichung von 1,6 cm resultiert. Der Punkt 2437 soll verdeutlichen, dass auch mit einer sehr großen Entfernung von 27 km zur Referenzstation innerhalb der Vernetzung gute Ergebnisse erzielt werden können (siehe Abb. 11 und Abb.12). : Abweichungen zum Sollwert Punkt 2437-27km, innerhalb - 15.3.1 : Abweichungen zum Sollwert Punkt 2437-27km, innerhalb - 15.3.1 3, 3, 2, 2, 1, 1,,, -1, -1, -2, -2, -3, -3, MEZ MEZ drechts dhoch Grenzwert +1,1cm Grenzwert -1,1cm drechts dhoch Grenzwert +1,1cm Grenzwert -1,1cm Abb.11: 27 km (innerhalb) Abb.12: GPSnet 27 km (innerhalb) Außerhalb des Vernetzungsgebietes, mit einer Entfernung von 32 km zur Referenzstation Göttingen, sind in Abb.12 und Abb.13 die Abweichungen der Einzelkomponenten aufgeführt. Ein Grund warum bei einer so großen Entfernung noch sehr gute Ergebnisse in den Genauigkeiten und ebenfalls in der kurzen Dauer der Initialisierungszeiten (vgl. Abb.8) erzielt werden konnten, ist sicherlich die ungestörte Ionosphäre, die an diesem Tag vorlag (siehe Abb.7). : Abweichungen zum Sollwert Punkt 27-32km, außerhalb - 1.4.1 : Abweichungen zum Sollwert Punkt 27-32km, außerhalb - 1.4.1 3, 3, 2, 2, 1, 1,,, -1, -1, -2, -2, -3, MESZ drechts dhoch Grenzwert +1,1cm Grenzwert -1,1cm -3, MESZ drechts dhoch Grenzwert +1,1cm Grenzwert -1,1cm Abb.13: 32 km (außerhalb) Abb.14: GPSnet 32 km (außerhalb)

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 15 7.8 Vergleich Leica Trimble Bei den Punkten 2437 und 2438 ist neben dem Trimble-Empfänger noch ein Leica-Empfänger zum Einsatz gekommen. Die Messanordnung ist dahin verändert worden, dass jeweils ca. eine Stunde mit Leica und Trimble durch das Programmpaket bzw. GPSnet Positionen bestimmt wurden. Abschließend wurde noch eine Stunde mit den Trimble-Empfängern in der Vernetzung gemessen, während Leica den Dienst HEPS zur nächsten Referenzstation nutzte. Tendenziell liefert der Leica-Empfänger bessere Ergebnisse, was sowohl die Anzahl der Positionen und damit die kürzere Initialisierungszeit als auch die Standardabweichungen in der Lage betrifft (Tab.1 und Tab.2). Die Messungen mit HEPS lieferten auf dem Punkt 2437 etwas schlechtere Ergebnisse, allerdings war die Satellitenkonstellation zu diesem Zeitpunkt sehr ungünstig. Die parallelen Messungen in der Vernetzung führten ebenfalls zu keinem guten Resultat (Tab.1). Messung mit Leica und Trimble 15.3.21 Punkt 2437 Leica Trimble Leica Trimble Messzeitraum Anzahl der Positionen Standardabweichung in der Lage Soll Mittel Standardabweichung in der Höhe Soll Mittel 9.25-1:14 MEZ 25 17 17,8 mm 15,3 mm 15,1 mm 12,7 mm 32,9 mm 28, mm 22,8 mm 15, mm Messzeitraum Anzahl der Positionen Standardabweichung in der Lage Soll Mittel Standardabweichung in der Höhe Soll Mittel 12:25-12:57 12 9 7,6 mm 7,2 mm 1,8 mm 1,2 mm 39,8 mm 9,1 mm 33,9 mm 11,6 mm durchschnittliche Initialisierungszeit 24 59 durchschnittliche Initialisierungszeit 72 83 verworfenen Initialisierungen (>18sec) 1 verworfenen Initialisierungen (>18sec) 4 1 verlorene Initialisierungen 1 verlorene Initialisierungen Fehlinitialisierungen Fehlinitialisierungen HEPS - Alfeld 27km Messzeitraum Anzahl der Positionen Leica 1.27-11:57 MEZ 3 Standardabweichung in der Lage Soll Mittel 25,9 mm 23,4 mm Standardabweichung in der Höhe Soll Mittel 43,7 mm 45,3 mm durchschnittliche Initialisierungszeit verworfenen Initialisierungen verlorenen Initialisierungen Fehlinitialisierungen 78 9 Tab.1: Messung mit Leica und Trimble auf dem Punkt 2438

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 16 Auf dem Punkt 2438 dagegen liegen die Positionsbestimmungen mit dem Leica-Rover in der Lage durchgängig unter dem geforderten Grenzwert von 1,6 cm. Auch die Messungen mit HEPS über 25 km liefern gute Ergebnisse (Tab.2). Messung mit Leica und Trimble am 28.3.21 Leica Trimble Leica Trimble Messzeitraum Anzahl der Positionen Standardabweichung in der Lage Soll Mittel Standardabweichung in der Höhe Soll Mittel 12:52-13:5 MESZ 28 2 11,4 mm 9,9 mm 14,6 mm 14,3 mm 8,4 mm 14,5 mm 63,2 mm 19,5 mm Messzeitraum Anzahl der Positionen Standardabweichung in der Lage Soll Mittel Standardabweichung in der Höhe Soll Mittel 16:6-16:58 MESZ 29 24 14,7 mm 13,8 mm 18,2 mm 16,6 mm 59, mm 19,7 mm 6,4 mm 14,3 mm durchschnittliche Initialisierungszeit 26 37 durchschnittliche Initialisierungszeit 14 33 verworfenen Initialisierungen (>18sec) 2 verworfenen Initialisierungen (>18sec) verlorene Initialisierungen verlorene Initialisierungen Fehlinitialisierungen Fehlinitialisierungen HEPS - Clausthal 25km Leica Messzeitraum Anzahl der Positionen 13:59-15:5 MESZ 29 Standardabweichung in der Lage Soll Mittel 12,1 mm 1, mm Standardabweichung in der Höhe Soll Mittel 45, mm 27,2 mm durchschnittliche Initialisierungszeit verworfenen Initialisierungen verlorenen Initialisierungen Fehlinitialisierungen 3 Tab.2: Messung mit Leica und Trimble auf dem Punkt 2438 Die guten Ergebnisse des Leica-Rovers sind hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass bei dem Leica bei der Positionsbestimmung im Gegensatz zu dem Trimble das L -Signal angebracht wird. Allerdings soll mit der neuen Firmware in dem Trimble-Empfänger ebenfalls das L -Signal verwendet werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Ergebnisse anzunehmen ist. 7.9 Zusammenstellung der Ergebnisse des Softwarevergleichs von und GPSnet Abschließend soll eine Zusammenfassung der Ergebnisse dieses Softwarevergleichs zwischen und GPSnet vorgenommen werden, die in der Tab.3 dargestellt ist. Die Unterschiede zwischen den beiden Programmpaketen in der Anzahl der Positionen sind relativ gering. Aufgrund dieser hohen Datenmenge von jeweils ca. 1 Positionen kann eine statistisch aussagekräftige Analyse vorgenommen werden.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 17 Anzahl der Positionen 177 99 davon innerhalb außerhalb 71 367 628 281 Anzahl der Positionen <1,6 cm (Soll Mittel) Lage innerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen >1,6 cm (Soll Mittel) Lage innerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen >2 cm (Soll Mittel) Lage innerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen >3 cm (Soll Mittel) Lage innerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen <1,6 cm (Soll Mittel) Lage außerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen >1,6 cm (Soll Mittel) Lage außerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen >2 cm (Soll Mittel) Lage außerhalb der Vernetzung Anzahl der Positionen >3 cm (Soll Mittel) Lage außerhalb der Vernetzung mittlere Standardabweichung (Lage Höhe) zum Soll durchschnittliche Initialisierungszeit 8 % 86 % 61 % 73 % 2 % 14 % 39 % 27 % 9 % 5 % 23 % 15 % 2 % 1 % 4 % 3 % 84 % 85 % 74 % 79 % 16 % 15 % 26 % 21 % 9 % 7 % 16 % 1 % 1 % % 4 % 1 % 13, mm 25,3 mm 16, mm 36,9 mm 47 sec. 6 sec. Anzahl der verlorenen Initialisierungen Anzahl der verworfenen Initialisierungen (> 18 sec) Anzahl der Fehlinitialisierungen 1 87 6 63 12 5 Tab.3: Zusammenstellung der Ergebnisse des Softwarevergleiches Der erste Teil der Tabelle stellt die numerischen Werte, die der Abb.1 zugrunde gelegt sind, dar. Im Mittel liegt die Standardabweichung in der Lage (zum Soll) bei beiden Produkten unter dem angestrebten Wert von 1,6 cm. Wobei die Standardabweichungen von dem Programm im Vergleich zu GPSnet in der Lage als auch in der Höhe besser ausfallen. Dieser positive Trend setzt sich in der durchschnittlichen Initialisierungszeit fort. Unter der Anzahl der verlorenen Initialisierungen sind hier diejenigen zu verstehen, die während der einminütigen Messzeit in den float-modus gewechselt haben und somit nicht abgespeichert werden konnten. Diese Problematik trat nahezu ausschließlich nur bei GPSnet auf, was damit zusammenhängen könnte, dass bei diesem Produkt das RTCM-Format 18/19 ausgesendet wurde, statt wie bei die Typen 2/21. Die Anzahl der verworfenen Initialisierungen entsprechen den Initialisierungen, die länger als drei Minuten dauerten, abgebrochen wurden und zu einer neuen Initialisierung führten. Insgesamt ist die Anzahl der verworfenen Initialisierungen bei geringer als bei GPSnet.

Ergebnisse des Vernetzungstests Niedersachsen Seite 18 Der Vollständigkeit halber ist die Anzahl der Fehlinitialisierungen, d.h. Positionsbestimmungen mit einer Abweichung zum Sollwert im Dezimeter- bis Meter-Bereich, aufgelistet. Mit,6% von der Gesamtanzahl der Positionen ist der Anteil von Fehlinitialisierungen bei beiden Programmpaketen verschwindend gering. Abschließend sind tabellarisch die Verbesserungen durch das Anbringen der absoluten Antennenkalibrierung bei aufgeführt (Tab.4). ohne absoluter Antennenkalibrierung mit absoluter Antennenkalibrierung Anzahl der Positionen 54 537 Anzahl der Punkte 1 7 durchschnittl. TTFA 54 sec 38 sec Stdabw. in der Lage (2D) (zum unabhängigen Soll) Stdabw. in der Höhe (zum unabhängigen Soll) Stdabw. in der Lage (2D) (zum Mittel) Stdabw. in der Höhe (zum Mittel) 14, mm 11,5 mm 31,1 mm 17, mm 12,3 mm 1,7 mm 22,5 mm 14,6 mm Tab.4: Verbesserung durch das Anbringen der absoluten Antennenkalibrierung 8. Schlussbemerkung Der vorliegende Bericht beinhaltet die Erfahrungen und Ergebnisse eines zweimonatigen Tests mit zwei Programmpaketen zur Vernetzung von GPS-Referenzstationen. Dabei wurden überwiegend technische Aspekte behandelt, die sich sowohl aus das Verhalten der Software in der Zentrale als auch auf die resultierenden Ergebnisse im Felde beziehen. Eine abschließende Bewertung wird an dieser Stelle nicht vorgenommen.