Genauigkeitsuntersuchungen und Vergleich mehrerer

htwdresden

Genauigkeitsuntersuchungen und Vergleich mehrerer

Genauigkeitsuntersuchungen und Vergleich mehrerer

Real-Time-GPS-Systeme

A. Bilajbegovic und M. Vierus, HTW Dresden - University for Applied

Zusammenfassung

Science

Im folgenden Beitrag wurde die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von

RTK-Systemen verschiedener Hersteller (Empfänger-Typen Ashtech GG 24,

Geotracer 2200 und 2204, Leica SR 399 und SR 9500, Trimble 4000 SSi,

4400 und 4800, Zeiss RM 24) untersucht. Bei nahezu identischen

ionosphärischen und troposphärischen Bedingungen sowie

Satellitenkonstellationen wurden Punkte eines Testnetzes

dreidimensional bestimmt und abgesteckt. Bei dem Testnetz handelte es

sich um das terrestrisch bestimmte Elbenetz in Dresden, dessen Punkte

variable Abschattungensbedingungen aufweisen.

Summary

In this paper, the accuracy and reliability of various GPS receivers

(Ashtech GG 24, Geotracer 2200 and 2204, Leica SR 399 and SR 9500,

Trimble 4000 SSi, 4400 and 4800, Zeiss RM 24) has been tested with

different RTK softwares in the process of three-dimensional

determination and setting out of points in, so to say, identical

ionosphere and troposphere conditions and equal satellite

constellation.

The terrestrical geodetic Elbe-Net in Dresden with various degrees of

horizon coverage for the receipt of satellite signals was used as a

test network.

1 Einleitung

Seit die Firma Trimble Navigation 1993 das erste RTK-GPS-System

(Einfrequenzsystem) auf den Markt brachte, liegt der Schwerpunkt bei

der Entwicklung der GPS-Technologie in diesem Sektor. Die Anbieter

entwickelten in kurzer Zeit immer neue, leistungsfähigere Hard- und

Software-Produkte. Aus diesem kurzen Zeitraum liegen bislang wenige

Untersuchungen und Erfahrungsberichte aus der Praxis vor. Das gilt

auch für den qualitativen Vergleich verschiedener Systeme (s. Kuhn und

andere 1998). An der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden

1


(FH) wurden in den letzten drei Jahren RTK-Systeme

2

verschiedener

Anbieter untersucht und miteinander verglichen, um Bewertungsmaßstäbe

für deren Einsatz in der Praxis zu gewinnen (s. Tab. 1 und 2). Geprüft

werden sollte insbesondere, inwieweit solche Systeme für die

koordinatenmäßige Bestimmung der Aufnahmepunkte tauglich sind.

Weiteres Ziel der Untersuchungen war es, die verschiedenen RTK-Systeme

zu benoten sowie Stärken und Schwächen zu benennen, um Impulse für

Verbesserungen und Weiterentwicklungen zu geben. Unsere Erfahrungen

von 1996 zeigen, daß Chancen dafür gegeben sind. Die ersten von uns

getesten RTK-Software-Versionen lieferten bei Punkten mit starken

Abschattungen schlechte Ergebnisse. Nach unseren Untersuchungen

brachten die Firmen schnell neue, verbesserte Versionen auf den Markt.

Tab. 1 Übersicht über die Simultanuntersuchungen von RTK-Systemen an der HTW Dresden (FH)

Jahr Ashtech Geotracer Leica Trimble Zeiss

1996 2200

(Software-

Version 1.1)

4000 SSi

1997 2200

4000 SSi 4400 RM 24

(Software-

(Software-

Version 1.12)

Versionen 3.6

und 3.6b)

1998 2204

4000 SSi 4800

(Software-

(TDC1 (TSC1;

Version 1.14)

Software- Modem

Version 4.15; Trimtalk Radio

Modem

Satelline

2ASx)

450)

1998 2204

(Software-

Version 1.14)

SR 9500

1998 GG 24

Für die Untersuchung der Systeme wurde ein klassisch bestimmtes Netz

von 113 Punkten (maximale Lagestandardabweichung 4 mm) und zwei

weitere mit Rapid Static bestimmte GPS-Netze verwendet. Die Netzpunkte

wiesen praxisnahe Abschattungsbedingungen auf. 1998 wurden die

Auswertungen hinsichtlich des Abschattungsgrades differenziert. Vor

den Testmessungen wurden die Antennenphasenzentren aller Systeme

untersucht.

Als Testmethode wurde Stop-and-Go-Messung mit OTF-Initialisierung

gewählt. Die Transformationsparameter für das Testgebiet wurden im

voraus durch Rapid-Static-Messung auf 8 Punkten bestimmt und jeweils

vor Beginn der RTK-Messung in alle Feldcomputer eingegeben. Lediglich

mit dem Zeiss-Empfänger RM 24 mußten die Parameter durch RTK-Messung


3

auf den 8 Punkten bestimmt werden, da dort manuelle Eingabe nicht

vorgesehen war.

Tab. 2: Meßgrößen, die von verschiedenen Empfängern verwendet werden

Ashtech

GG 24

Geotracer

2200 und

2204

Leica

SR 399

und

SR 9500

Trimble

4000 SSi,

4400 und

4800

Zeiss

GePoS

RM 12

Anzahl

der

Kanäle

L1

C/A-Code

12 Ja

GPS und

GLONASS!

L1

P-Code/

Y-Code

L1

volle Phase

(C/A)

Nein Ja

GPS und

GLONASS!

L1

volle Phase

(P bzw. Y)

L2 L2

P-Code/ volle Phase

Y-Code (P bzw. Y)

Nein Nein Nein

12 Ja Ja Ja Ja Ja Ja

9

Ja Ja Ja Nein Ja Ja

12

9 Ja Nein Ja Nein Ja Ja

12 Ja Nein Ja Nein Ja Ja

Die Referenzstationen aller Systeme maßen bei den Simultan-Untersuchungen

unter gleichen Sichtbedingungen. Die Punktbesetzung durch die Roverstationen

erfolgte unmittelbar nacheinander mit minimalen Zeitabständen. Um annähernd

gleiche ionosphärische Bedingungen zu realisieren, beschränkten sich die

Simultan-Untersuchungen auf maximal drei Systeme. Dabei war jeweils eine

Lagestandardabweichung von 20 mm einzuhalten.

Das Verhalten bei Neuinitialisierungen nach verschiedenen Abdeckungszeiten

der Roverantenne war ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Untersuchung. Als

Bewertungskriterien für die verschiedenen Systeme wurden Zuverlässigkeit,

Genauigkeit, Bedienkomfort, Reichweite des Radiomodems, Stromversorgung,

Tragekomfort, Verkabelung, Dauer der Initialisierung und Bedienungsanleitung

angehalten.

Die Untersuchungen zeigen, daß die Genauigkeitsangaben der Firmen für die

Lagestandardabweichung (innere Genauigkeit) in den meisten Fällen erfüllt

wurde, während hinsichtlich der Zuverlässigkeit Defizite zu verzeichnen

waren, insbesondere bei der Höhenbestimmung. Für die

Genauigkeitsuntersuchungen wurden die mathematischen Modelle der wahren

Fehler sowie Doppelmessungen mit systematischen Fehlern benutzt. Alle

Ergebnisse wurden tabellarisch und graphisch aufbereitet.

2 Antennenuntersuchungen


Bei diesen Untersuchungen wurde das mittlere Phasenzentrum

4

einer

Antenne (für die Frequenzen L1 und L2) softwareunabhängig bestimmt,

indem die Rohdaten mit fünf verschiedenen Firmen-Softwarepaketen

verarbeitet und die Ergebnisse gemittelt wurden. So erhaltene

Ergebnisse wurden für verschiedene Antennen gleichen Typs zu einer

Gruppenlösung zusammengeführt.

Die Antennen der Firma Geotracer (geodätische Antenne mit Grundplatte,

kinematische Antenne) wiesen geringe Phasenzentren-Exzentrizitäten auf

(e < 3 mm), geodätische und kinematische Antenne von Trimble

erreichten Exzentrizitäten e < 5 mm. Weniger günstig stellte sich die

Situation bei den Zeiss-Antennen RM 24 (e < 7 mm) und RD 24

(e < 12 mm) dar. Bei der Untersuchung der Antennenphasenzentren der

Ashtech-Antenne Marine IV wurden wider Erwarten unterschiedliche

Exzentrizitäten der baugleichen Antennen ermittelt, was bei

ungünstiger Punktkonstellation zu einem Fehler bis 7 mm führen kann.

Einen Qualitätssprung zeigten 1998 die neuen mikrozentrieren Antennen

der Firma Trimble (Compact L1/2 mit Grundplatte und 4800; für beide

e < 1 mm). Die Beträge der Phasenexzentrizitäten wurden getrennt für

die Frequenzen L1 und L2 in Diagrammen dargestellt (s. Abb. 1 und 2).


Hochwert Nord (mm)

Phasenzentren-Exzentritäten

Vergleich aller Antennentypen Frequenz L1

12

8

4

0

-12 -8 -4 0 4 8 12

-4

-8

-12

Rechtswert Ost (mm)

Abb.1: Phasenzentren-Exzentrizitäten

Geotracer Geodetic L2 w GP

Geotracer Compact L2

Zeiss GePos RD 24

Trimble Geodetic 4000 ST/SSE

L1/2

Trimble Compact L1/2 w GP

Trimble 4800 micro centered

5

Trimble Compact L1/2 w GP micro

centered

Ashtech GG 24 L1-GPS Nr. 5503

Ashtech GG 24 L1-Glonass Nr.

5503

Ashtech GG 24 L1-GPS Nr. 5518

Ashtech GG 24 L1-Glonass Nr.

5518

Leica AT 302


Hochwert Nord (mm)

Phasenzentren-Exzentrizitäten

Vergleich aller Antennentypen Frequenz L2

12

8

4

0

-12 -8 -4 0 4 8 12

-4

-8

-12

Rechtswert Ost (mm)

Abb. 2:Phasenzentren-Exzentrizitäten

Geotracer Geodetic L2 w

GP

Geotracer Compact L2

Zeiss GePos RD 24

Trimble Geodetic 4000

SE/SSE L1/2

Trimble Compact L1/2 w

GP

Trimble 4800 micro

centered

Trimble Compact L1/2 w

GP micro centered

Leica AT 302

3 Untersuchung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit verschiedener RTK-

Systeme

Wegen der speziellen Aufnahmesituation für ein

Echtzeitvermessungssystem (Positionsbestimmung aus wenigen Epochen)

ist zu erwarten, daß systematische und kurzzeitig wirkende

Fehlereinflüsse in den Satellitensignalen sich negativ auf die

Qualität der Ergebnisse auswirken. Besonders sind die Einflüsse von

falschen Initialisierungen (falsche Bestimmung der

Phasenmehrdeutigkeiten), Mehrwegeeffekten und Probleme bei schlechter

Datenübertragung von Referenzstationen signifikant. Grobe Fehler kann

man nicht durch doppelte RTK-Messungen bei Verwendung zweier

Referenzstationen zu verschiedenen Zeitpunkten ausschließen.

6


Daher ist die Frage der die Zuverlässigkeit der RTK-Vermessung

weiterhin das entscheidende Problem. Um die Genauigkeit und besonders

die Zuverlässigkeit der verschiedenen RTK-Systeme zu untersuchen,

wurden die Punkte des Elbe-Netzes durch Doppelmessungen bestimmt.

3.1 Eliminierung grober Fehler

Als grobe Fehler haben wir Abweichungen von den terrestrischen

Koordinaten größer als 4 cm in der Lage und größer als 6 cm für die

Höhen definiert (s. AP-Erlaß 98 und Tab. 3 und 4).

Tab. 3: Anteil grober Fehler bei den Messungen 1997

RTK-System Grobe Fehler

Soll – Doppel-

messungen

In der

Lage

> 40 mm

in %

in der

Höhe

> 60 mm

in %

Grobe Fehler

Soll –

Einzelmessungen

in der

Lage

> 40 mm

in %

in der

Höhe

> 60 mm

in %

Grobe Fehler

erste – zweite

Messungen

in der

Lage

> 40 mm

in %

in der

Höhe

> 60 mm

in %

GEOTRACER 2200; Softw. 1.12 13,6 18,0 3,5 16,7 9,1 19,7

TRIMBLE 4400 13,7 5,4 11,6 6,8 15,3 16,7

ZEISS GePoS RM 24 3,0 0,0 2,1 8,6 3,0 4,5

LEICA SR 399 E 5,4 57,3 5,1 26,6 5,0 3,3

Nachdem bei den Untersuchungen von 1996 die Messungen mit Zeiss RM 24

(Softwareversion 3.6) und Geotracer 2200 (Softwareversion 1.1) einen

gravierenden Anteil grober Fehler aufgewiesen hatten, ergaben auch die

Messungen von 1997 für die Systeme Geotracer 2200 (Softwareversion

1.12) und Trimble 4400 bzw. 4000 SSi einen unvertretbar hohen Anteil

grober Fehler. Nur die Messungen mit Zeiss-Empfängern mit der

Softwareversion 3.6b zeigten in dieser Beziehung eine optimistische

Tendenz (s. Tab. 3).

7


Tab.4 : Anteil grober Fehler bei den Messungen 1998

RTK-System Grobe Fehler

Soll – Doppel-

messungen

In der

Lage

> 40 mm

in %

in der

Höhe

> 60 mm

in %

Grobe Fehler

Soll –

Einzelmessungen

in der

Lage

> 40 mm

in %

in der

Höhe

> 60 mm

in %

Grobe Fehler

erste – zweite

Messungen

in der

Lage

> 40 mm

in %

in der

Höhe

> 60 mm

in %

ASHTECH GG 24 11,9 11,3 9,7 13,9 11,9 10,7

GEOTRACER 2204; Softw. 1.14 2,4 3,0 2,8 6,4 3,6 6,0

LEICA SR 9500 1,5 5,1 5,0 4,9 0,0 3,0

TRIMBLE 4000 SSi 1,6 19,4 1,2 30,4 4,9 40,7

TRIMBLE 4800 2,3 4,6 4,5 6,8 3,5 4,6

Die Untersuchungen im Jahr 1998 wurden größtenteils mit neuen

Empfängern und neuer Software durchgeführt. Dabei zeigte sich eine

Verbesserung der Zuverlässigkeit, die aber noch immer nicht als

zufriedenstellend bezeichnet werden kann (s. Tab. 4). Die Systeme

Leica 9500 und Geotracer 2204 hatten den geringsten Anteil grob

falscher Messungen, während das hybride System Ashtech GG 24 (mit der

„Jungfern“-Softwareversion) ca. 11 % Ausreißer für Lage und Höhe

lieferte. Auffällig schlecht waren auch die Höhenbestimmungen mit dem

System Trimble 4000 SSi (s. Tab. 4).

3.2 Analyse der Differenzen (Soll – Ist und 1. – 2. Messung)

Nach Eliminierung der groben Fehler wurde untersucht, welcher

prozentuale Anteil der Abweichungen 2 cm in der Lage und 3 cm in der

Höhe nicht überschritt (s. Tab. 5 und 6).

Tab 5: Anteil der Messungen unter der geforderten Genauigkeitsgrenze 1997

RTK-System Abweichungen

Soll – Doppel-

messungen

In der

Lage

≤ 20 mm

in %

in der

Höhe

≤ 30 mm

in %

Abweichungen

Soll –

Einzelmessungen

in der

Lage

≤ 20 mm

in %

in der

Höhe

≤ 30 mm

in %

Abweichungen

erste – zweite

Messungen

in der

Lage

≤ 20 mm

in %

in der

Höhe

≤ 30 mm

in %

GEOTRACER 2200; Softw. 1.12 86,0 68,3 70,1 61,1 78,3 84,9

TRIMBLE 4400 85,7 67,9 81,0 65,1 73,8 73,3

ZEISS GePoS RM 24 95,3 89,1 90,2 81,1 78,1 73,0

LEICA SR 399 E * 85,7 14,5 85,6 23,0 94,7 96,5

* Geotracer 2200, Trimble 4400 und Zeiss RM 24 wurden simultan im beschriebenen Netz getestet. Die

Untersuchung des Empfängers Leica SR 399 E erfolgte zu einem anderen Zeitpunkt in einem anderen Netz.

Hinsichtlich dieser Qualitätskriterien schnitt das System Zeiss RM 24

(Softwareversion 3.6b) am besten ab, die anderen Systeme folgen auf

etwa gleichem Niveau. Es ist nicht auszuschließen, daß das schwache

8


9

Ergebnis für Leica SR 399 E bei der Höhenbestimmung auf fehlerhafte

Sollhöhen zurückzuführen ist.

Tab 6: Anteil der Messungen unter der geforderten Genauigkeitsgrenze 1998

RTK-System Abweichungen

Soll – Doppel-

messungen

In der

Lage

≤ 20 mm

in %

in der

Höhe

≤ 30 mm

in %

Abweichungen

Soll –

Einzelmessungen

in der

Lage

≤ 20 mm

in %

in der

Höhe

≤ 30 mm

in %

Abweichungen

erste – zweite

Messungen

in der

Lage

≤ 20 mm

in %

in der

Höhe

≤ 30 mm

in %

ASHTECH GG 24 * 95,9 83,6 83,6 75,4 73,0 93,3

GEOTRACER 2204; Softw. 1.14 85,4 75,4 76,6 77,7 91,4 60,8

LEICA SR 9500 72,7 76,8 70,0 69,2 85,7 84,6

TRIMBLE 4000 SSi 73,8 83,0 72,4 50,0 92,2 77,1

TRIMBLE 4800 89,3 69,4 78,6 71,0 90,4 87,8

* Die Messungen mit dem Ashtech GG 24 wurden im gleichen Netz, aber zu einem anderen Zeitpunkt durchgeführt.

Dieser Empfänger hat für 20 Punkte mit stärkeren Abschattungen eine Lösung erzielt, davon 13 mit korrekten

Koordinaten und 7 mit Float-Lösungen bzw. mit groben Fehlern.

1998 erwies sich Ashtech GG 24 als Spitzenreiter mit einer Einhaltung

des Lagekriteriums von rund 96 % und des Höhenkriteriums von rund

84 %, gefolgt von Geotracer 2204 und Trimble 4800.

3.3 Untersuchung der äußeren und „inneren“ Genauigkeit

Aus den Differenzen der Sollkoordinaten und des Mittels aus erster und

zweiter Messung wurden die Standardabweichungen für die untersuchten

Systeme ermittelt (äußere Genauigkeit). Die Gegenüberstellung der

Ergebnisse der ersten und zweiten Messung spiegeln nicht die reale

innere Genauigkeit wider, weil sie zu verschiedenen Zeitpunkten

(Satellitenkonstellationen) mit separaten Zentrierungen und mit

verschiedenen Referenzstationen durchgeführt wurden (s. Tab. 7). Grobe

Fehler gingen nicht in die Betrachtungen ein.


Tab. 7: Genauigkeit der 1997 untersuchten Echtzeit-Systeme

RTK-System Vergleich des Mittels

aus 1. und 2. Messung

mit Sollkoordinaten

Vergleich der

Differenzen aus

1. und 2. Messung

Standardabweichung der Doppelmessungen

Lage Höhe Lage Höhe

in mm in mm in mm in mm

GEOTRACER 2200; Softw. 1.12 14 28 9 10

TRIMBLE 4400 11 28 9 14

ZEISS GePoS RM 24 11 20 8 15

Wie schon der Test auf Einhaltung der Genauigkeitskriterien vermuten

ließ (s. Abschnitt 3.2), lieferte das System Zeiss RM 24 die

genauesten Ergebnisse.

Tab. 8: Genauigkeit der 1998 untersuchten Echtzeit-Systeme

RTK-System Vergleich des Mittels

aus 1. und 2. Messung

mit Sollkoordinaten

Vergleich der

Differenzen aus

1. und 2. Messung

Standardabweichung der Doppelmessungen

Lage Höhe Lage Höhe

in mm in mm in mm in mm

ASHTECH GG 24 12 21 8 9

GEOTRACER 2204; Softw. 1.14 15 25 6 10

LEICA SR 9500 19 25 10 16

TRIMBLE 4000 SSi 16 26 6 11

TRIMBLE 4800 15 27 6 10

Ähnlich stellte sich auch die Situation 1998 dar: Für den

Spitzenreiter bei der Einhaltung der Genauigkeitskriterien, Ashtech

GG 24, wurden die geringsten Standardabweichungen ermittelt.

4 Untersuchung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit unter

Berücksichtigung der Abschattungsbedingungen

Um eine eventuelle Abhängigkeit der Zuverlässigkeit und Genauigkeit

der Messungen von den Abschattungsbedingungen festzustellen, wurden

die Differenzen Soll - Mittelwert aus 1. und 2. Messung als Funktion

des Abschattungsgrades untersucht (s. Tab. 9).

10


Die Unterscheidung der drei Stufen geringe, mittlere und

11

starke

Abschattungen wurde wie folgt definiert:

• geringe Abschattungen: Abschattungen bleiben grundsätzlich unter 20°

Elevation, nur nach Norden hin sind größere Abschattungen zulässig

• mittlere Abschattungen: mindestens 50 % des Horizontes sind

abschattungsfrei

• starke Abschattungen: weniger als 50 % des Horizontes sind

abschattungsfrei

Tab. 9: Zuverlässigkeit und Genauigkeit als Funktion der Abschattungsbedingungen

RTK-System Anzahl der

gemessenen Punkte

Anzahl der

Messungen mit

groben Fehlern

Anteil grober Fehler

in Prozent

Standardabweichg.

nach Eliminierung

grober Fehler in

mm

Lage Höhe

Lage Höhe Lage Höhe Lage Höhe

> 40 mm > 60 mm > 40 mm > 60 mm

geringe Abschattungen

ASHTECH GG 24 37 28 3 3 8,1 10,7 12 23

GEOTRACER 2204 45 38 0 0 0,0 0,0 15 24

LEICA SR 9500 36 30 0 0 0,0 0,0 16 20

TRIMBLE 4000 SSi 43 35 1 7 2,3 20,8 15 28

TRIMBLE 4800 44 35 1 1 2,3 2,9 14 28

mittlere Abschattungen

ASHTECH GG 24 27 21 0 0 0,0 0,0 12 18

GEOTRACER 2204 30 24 0 0 0,0 0,0 15 28

LEICA SR 9500 26 24 0 1 0,0 4,2 21 27

TRIMBLE 4000 SSi 32 25 0 4 0,0 16,0 19 23

TRIMBLE 4800 33 25 1 2 3,0 8,0 15 24

starke Abschattungen

ASHTECH GG 24 20 13 7 4 35,0 30,8 11 21

GEOTRACER 2204 9 5 2 2 22,2 40,0 16 21

LEICA SR 9500 4 4 1 2 25,0 50,0 11 43

TRIMBLE 4000 SSi 6 2 0 1 0,0 50,0 17 35

TRIMBLE 4800 7 2 0 0 0,0 0,0 19 34

Da nicht alle im Testnetz gemessenen Punkte mit Sollhöhen zur Verfügung standen, ist die Anzahl der lagemäßig

auswertbaren Punkte in der Regel größer als die der höhenmäßig auswertbaren.

Bei geringen Abschattungen waren Geotracer 2204 und Leica SR 9500 die

zuverlässigsten Systeme, da dort keine groben Fehler festgestellt

wurden. Geotracer 2204 konnte dieses Ergebnis auch bei mittleren

Abschattungen bestätigen; dort maß auch das System Ashtech GG 24 ohne

grobe Fehler. Bei starken Abschattungen änderte sich diese positive

Bild: Die Zahl der Ausreißer war bei allen drei genannten Systemen

recht hoch. Trimble 4800 maß im Vergleich zu Ashtech GG 24 nur wenige

Punkte unter diesen Bedingungen, aber sehr zuverlässig. Nach

Eliminierung der groben Fehler erreichte Ashtech GG 24 die kleinsten

Standardabweichungen.


5 Untersuchung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Absteckung mit

RTK-Systemen

Die Absteckungen wurden ebenso wie die Aufmessungen im gesamten

Elbenetz durchgeführt.

Tab. 10: Untersuchung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Absteckung

RTK-System Anzahl der

gemessenen

Punkte

Lage Höhe Lage

> 40

mm

Anzahl der

Messungen mit

groben Fehlern

Höhe

> 60

mm

Anteil grober

Fehler in

Prozent

Lage

> 40

mm

Höhe

> 60

mm

Standardabweichung

nach

Eliminierung

grober Fehler

in mm

Mittelwert der

Abweichung

von den Sollkoordinaten

in mm

Lage Höhe Lage Höhe

GEOTRACER 2204 76 62 1 7 1,3 11,3 15 23 12 -10

LEICA SR 9500 67 59 1 3 1,5 5,1 19 25 15 2

TRIMBLE 4000 SSi 79 64 6 17 7,6 26,6 19 36 16 -25

TRIMBLE 4800 80 64 3 8 3,7 12,5 17 28 15 - 3

Die Anmerkung zu Tab. 9 gilt hier gleichermaßen.

Als zuverlässigste Systeme für die Absteckung erwiesen sich Leica

SR 9500 und Geotracer 2204. Auffällige Defizite bei der

Höhenabsteckung sowohl bei der Zuverlässigkeit als auch bei der

Genauigkeit zeigten sich beim RTK-System Trimble 4000 SSi. Der Anteil

grober Fehler (Abweichungen > 60 mm) an den Messungen erreichte dort

26,6 %! Es muß daher als unzuverlässig und ungeeignet für

Höhenabsteckungen eingeschätzt werden. Die Lagestandardabweichungen

nach Eliminierung der groben Fehler ähnelten sich bei allen

Herstellern (15 - 19 mm). Das System Ashtech GG 24 konnte in diese

Untersuchung nicht einbezogen werden, da die Ausleihfrist abgelaufen

war.

6. Untersuchung des Verhaltens bei Neuinitialisierungen nach

Abdeckungen der Roverantenne

Eine korrekte Initialisierung ist Voraussetzung für die Richtigkeit

der Messungsergebnisse. Interessant ist außerdem die Länge der

Initialisierungszeit. Solange initialisiert wird, kann keine

Positionsbestimmung erfolgen. Dies spielt vor allem nach einem

Signalverlust bei kontinuierlichen Messungen zur Bahnbestimmung

bewegter Objekte eine Rolle. Ursachen für Signalverluste sind meist

Abschattungen durch Bäume, Brücken, Viadukte oder Tunnel. Bei

12


13

Empfängern bzw. Antennen auf Flugzeugen kann dessen Neigung in Kurven

ebenfalls zu einem Signalabriß führen. Um zu prüfen, wie genau und

zuverlässig die Initialisierungen erfolgen, wurden durch das

vollständige Abdecken der Roverantenne mit einem Metallzylinder für

0,5, 2 und 30 Sekunden die oben erwähnten praxisrelevanten

Abschattungen simuliert. Um statistische Aussagen machen zu können,

wurden pro Abdeckzeit 40 Versuche durchgeführt (s. Tab. 11).

Tab. 11: Vergleich der Initialisierungszeiten - Ergebnisse von 1996

RTK-System Behaltene IniDurchschnitt- Minimale Maximale

tialisierungenliche Initialisierungszeit in Minuten:Sekunden

Abdeckzeit 0,5 Sekunden

GEOTRACER 2200; Softw. 1.1 32 von 40 0:10 0:03 0:22

TRIMBLE 4000 SSi 11 von 40 0:39 0:02 1:31

Abdeckzeit 2 Sekunden

GEOTRACER 2200; Softw. 1.1 2 von 40 0:39 0:05 4:51

TRIMBLE 4000 SSi 0 von 40 1:03 0:05 3:22

Abdeckzeit 30 Sekunden

GEOTRACER 2200; Softw. 1.1 2 von 40 1:53 0:10 6:08

TRIMBLE 4000 SSi 0 von 40 1:38 0:56 4:10

Tab. 12: Vergleich der Initialisierungszeiten - Ergebnisse von 1997

RTK-System Behaltene IniDurchschnitt- Minimale Maximale

tialisierungenliche Initialisierungszeit in Minuten:Sekunden

Abdeckzeit 0,5 Sekunden

GEOTRACER 2200; Softw. 1.12 34 von 40 0:12 0:28 2:28

ZEISS RM 24; Softw. 3.6b 6 von 40 1:38 0:08 2:45

Abdeckzeit 2 Sekunden

GEOTRACER 2200; Softw. 1.12 2 von 40 1:13 0:17 4:12

ZEISS RM 24; Softw. 3.6b 0 von 40 1:53 1:01 5:17

Abdeckzeit 30 Sekunden

GEOTRACER 2200; Softw. 1.12 0 von 40 2:34 1:42 6:27

ZEISS RM 24; Softw. 3.6b 0 von 35 1:56 1:20 4:29

Mit weiterentwickelter Software wurden 1997 ähnliche Untersuchungen

durchgeführt (s. Tab. 12). Geotracer 2200 und Zeiss RM 24 wurden

simultan untersucht. Die Untersuchung des ZEISS RM 24 wurde durch

Kollision der Gondel eines Heißluftballons mit der Antenne vorzeitig

beendet. Deshalb kam es beim letzten Durchgang nur zu 35 Tests statt

der üblichen 40. Trimble 4400 konnte nicht untersucht werden, da die

Leihfrist schon abgelaufen war.

Die Toleranz gegenüber kurzzeitigen Abdeckungen der Roverantenne

(0,5 s) war bei Geotracer 2200 bei beiden Softwareversionen deutlich

größer als bei Zeiss und Trimble (s. Tab. 11 und 12). Nur bei ca. 20 %

aller Abdeckungen war eine Neuinitialisierung erforderlich (Zeiss

85 %, Trimble ca. 70 %). Die Geotracer-Empfänger initialisierten sich


14

nach Abdeckung deutlich schneller als die von Zeiss (Faktor 9) und

Trimble (Faktor 4).

Bei der Abdeckungszeit von 2,0 s war bis auf Ausnahmen bei allen

Empfängern eine Neuinitialisierung erforderlich. Auch hier zeigte

Geotracer Geschwindigkeitsvorteile gegenüber der Konkurrenz. Erst bei

einer Bedeckungszeit von 30 s kehrte sich das Bild um. Da

initialisierten die Trimble 4000 SSi am schnellsten (98 s), Zeiss

RM 24 (V. 3.6b) war ca. 10 %, Geotracer 2200 (V. 1.11) um den Faktor

1,5 langsamer.

Von 115 Initialisierungen waren bei Zeiss alle korrekt. Geotracer 2200

hatte für beide Versionen je eine im Dezimeterbereich falsche

Initialisierung (von je 120). Am unzuverlässigsten stellten sich die

Trimble 4000 SSi mit 6 im Dezimeterbereich falschen Initialisierungen

dar (von ebenfalls 120).

Tab. 13: Vergleich der Initialisierungszeiten - Ergebnisse von 1998

RTK-System Behaltene IniDurchschnitt- Minimale Maximale

tialisierungenliche Initialisierungszeit in Minuten:Sekunden

Abdeckzeit 0,5 Sekunden

GEOTRACER 2204; Softw. 1.14 6 von 40 0:40 0:11 1:57

TRIMBLE 4800 0 von 40 0:30 0:22 1:00

TRIMBLE 4000 SSi 0 von 40 1:02 0:47 0:47

ASHTECH GG 24 22 von 40 0:09 0:02 0:31

LEICA SR 9500 0 von 40 1:26 0:44 2:47

Abdeckzeit 2 Sekunden

GEOTRACER 2204; Softw. 1.14 0 von 40 0:43 0:16 2:18

TRIMBLE 4800 0 von 40 0:31 0:22 1:03

TRIMBLE 4000 SSi 0 von 40 1:18 0:59 2:05

ASHTECH GG 24 9 von 38 0:11 0:01 0:34

LEICA SR 9500 0 von 40 1:26 1:01 2:45

Abdeckzeit 40 Sekunden

GEOTRACER 2204; Softw. 1.14 0 von 40 2:20 0:40 15:14

TRIMBLE 4800 0 von 40 0:51 0:23 2:23

TRIMBLE 4000 SSi 0 von 40 1:26 0:54 2:54

ASHTECH GG 24 0 von 40 0:54 0:11 3:20

LEICA SR 9500 0 von 40 1:25 1:10 2:49

In Tabelle 13 sind die 1998 bei Initialisierungsuntersuchungen erreichten

Ergebnisse zusammengefaßt. Für Geotracer 2204 und Trimble 4800 erfolgte die

Untersuchung simultan. Der Empfänger Trimble 4000 SSi war zu dieser Zeit

defekt und wurde später bei gleicher Satellitenkonstellation untersucht, so

daß man mit unterschiedlichen ionosphärischen und troposphärischen

Bedingungen rechnen muß. Ashtech GG 24 und Leica SR 9500 wurden jeweils

separat untersucht.


15

Zum Ashtech GG 24 ist folgendes anzumerken: Bei Abdeckzeit 0,5 s lieferten

die 22 beibehaltenen Initialisierungen neunmal falsche Koordinaten. Von den

18 Neuinitialisierungen waren 4 falsch. Bei Abdeckzeit 2 s lieferten die 9

beibehaltenen Initialisierungen achtmal falsche Koordinaten. Von 29

Neuinitialisierungen war eine falsch. Bei Abdeckzeit 30 s waren alle 40

Neuinitialisierungen zuverlässig. Wenn man Neuinitialisierung per Reset

herbeiführte, gab es keine Fehlinitialisierungen.

Beim Zeitvergleich war Ashtech GG 24 unschlagbar bei allen

Abdeckungszeiten. Das konnte man erwarten, da bei diesem System das

Anti-Spoofing der Amerikaner umgangen werden kann. Das System Trimble

4800 initialisiert sich sehr schnell. Von 120 Initialisierungen waren

bei Trimble 4800, Geotracer 2204, Leica 9500 und Trimble 4000 SSi

(Softwareversion V. 4.15) alle korrekt.

7. Bewertung der RTK-Systeme

Die Bewertung der Systeme erfolgte nach subjektiv festgelegten

Kriterien und Gewichtungen. Die größten Gewichte erhielten die

Kriterien Zuverlässigkeit und Genauigkeit, die für die

Praxistauglichkeit von hervorragender Bedeutung sind. Besonders die

Zuverlässigkeit erwies sich als neuralgischer Punkt, bei dem für die

Zukunft Verbesserungen wünschenswert sind. Folgende Maßstäbe wurden

für die Bewertung der Kriterien Zuverlässigkeit, Genauigkeit und

Initialisierungsdauer zugrundegelegt (Tab. 14):


Tab. 14: Maßstäbe für die Bewertung der Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Initialisierungsdauer

Kriterium Zuverlässigkeit Genauigkeit Initialisierungsdauer

für Lage und Für die Lage für die Höhe Abdeckungszeit Abdeckungszeit

Höhe

0,5 s und 2,0 s 30 s

Meßgröße grobe Fehler Differenzen Sollkoordinaten -

Doppelmessungen

Zeitdauer

Maßeinheit

Note

Prozent Millimeter Sekunden

1 0 < 16 < 25 < 15 < 60

2 1 25 35 30 80

3 2 - - 50 100

4 4 - - 70 150

5 ≥ 6 - - > 70 > 150

Benotungen für Zwischenwerte wurden linear interpoliert.

Die Beurteilung der Empfänger erfolgte unter Berücksichtigung der Genauigkeit

und Zuverlässigkeit bei den durchgeführten Testmessungen. Außerdem wurden

auch Kriterien wie Bedienkomfort, Funkverbindung, Stromversorgung,

Tragekomfort, Verkabelung, Meßgeschwindigkeit und Bedienungsanleitung für das

RTK-System in Betracht gezogen (s. Tab. 15 und 16)

Tab. 15: Bewertung der RTK-Systeme; Ergebnisse von 1997

Gewicht 10 10 10 10

RTK-System Benotung

Zuverlässigkeit Genauigkeit (ohne

grobe Fehler)

Aufmessung Aufmessung

(Sollkoordinaten – (Sollkoordinaten –

Doppelmessungen) Doppelmessungen)

Lage Höhe Lage Höhe

> 40 mm > 60 mm

GEOTRACER 2200 5,0 5,0 1,0 1,3

TRIMBLE

4000 SSi/4400

5,0 5,0 1,0 1,3

ZEISS RM 24 3,5 1,0 1,0 1,0

Gewicht 10 10 7 7 10 8 5

RTK-System Benotung

BedieFunkverStromTrageVerInitialiBedieGesamtnungsbindungversorkomfortkabelungsierungsnungsnotekomfortgungdaueranleitungen GEOTRACER 2200 3 3 3 2 3 3,0 2 2,91

TRIMBLE

4000 SSi/4400

3 2 3 3 4 4,3 2 3,09

ZEISS RM 24 4 2 3 3 3 4,4 3 2,55

Bewertet wurde für das System Geotracer 2200 die Softwareversion 1.12, für das System Zeiss RM 24 die

Softwareversion 3.6b. Beim Test der Trimble-Ausrüstung wurde ein 4000 SSi-Empfänger als Basisstation mit einem

4400-Rover kombiniert.

In der Bewertung von 1997 erzielte das System Zeiss RM 24 klar die

besten Ergebnisse. Das System Geotracer 2200 wies geringfügige

Vorteile gegenüber dem Trimble 4000 SSi auf (s. Tab. 15).

16


Tab. 16: Bewertung der RTK-Systeme; Ergebnisse von 1998

Gewicht 10 10 10 10 10 10 10 10

RTK-System Benotung

Zuverlässigkeit Genauigkeit (ohne grobe Fehler)

Aufmessung Absteckung Aufmessung Absteckung

(Sollkoordinaten – (Sollkoordinaten - (Sollkoordinaten - (Sollkoordinaten -

Doppelmessungen) Einzelmessungen) Doppelmessungen) Einzelmessungen)

Lage Höhe Lage Höhe Lage Höhe Lage Höhe

> 40 mm

> 60 mm

> 40 mm

> 60 mm

ASHTECH GG 24 5,0 5,0 - - 1,0 1,0 - -

GEOTRACER 2204 3,2 4,0 2,3 5,0 1,0 1,0 1,0 1,0

LEICA SR 9500 2,5 4,5 2,5 4,5 1,3 1,0 1,2 1,0

TRIMBLE 4000 SSi 2,6 5,0 5,0 5,0 1,0 1,1 1,2 2,1

TRIMBLE 4800 3,2 4,3 3,8 5,0 1,0 1,2 1,1 1,3

Gewicht 10 10 7 7 10 8 5

RTK-System Benotung

BedieFunkverStromTrageVerInitialiBedieGesamtnungsbindungversorkomfortkabelungsierungsnungsannotekomfortgungdauerleitungen ASHTECH GG 24 3 3 3 3 5 1,0 2 2,99

GEOTRACER 2204 3 3 3 3 3 3,4 2 2,59

LEICA SR 9500 2 2 3 4 4 4,1 2 2,60

TRIMBLE 4000 SSi 3 3 3 3 4 4,3 2 3,04

TRIMBLE 4800 2 2 2 2 1 1,7 2 2,27

Bei den analogen Untersuchungen 1998 erhielt das System Trimble 4800

die beste Gesamtbeurteilung. Die zweitplazierten Systeme Geotracer

2204 und Leica SR 9500 wiesen keine großen Unterschiede auf. Die

schlechte Endnote für Ashtech GG 24 ist auf die mangelhafte

Zuverlässigkeit zurückzuführen. Auch beim Schlußlicht Trimble 4000 SSi

(Softwareversion 4.15) liegt der Hauptgrund bei den Defiziten in

puncto Zuverlässigkeit, insbesondere bei der hohen Anzahl grober

Fehler bei der Höhenbestimmung (s. Tab 16).

8. Schluß

Diese Untersuchung veranschaulicht, daß man beim Arbeiten mit

kinematischen Echtzeit-Systemen die zweifellos vorhandenen Vorteile

gegenüber den noch gewichtigen Nachteilen für die eigenen speziellen

Anwendungsgebiete abwägen muß. In der Regel hängt die Qualität der

Messungsergebnisse sehr von den Abschattungsbedingungen ab (Ausnahme:

Trimble 4800 bei großen Abschattungen). Eine topographische Aufnahme

in stark bebauten Gebieten ist wegen Mehrwegeausbreitungen und

häufigen Initialisierungsverlusten durch Abschattungen nahezu

unmöglich bzw. mit unvertretbar hohem Aufwand verbunden.

17


18

Bei der Auswertung der Daten konnte festgestellt werden, daß die Zahl

grober Fehler mit zunehmender Abschattung wuchs. Die Lagebestimmung

wurde bei starken Abschattungen wesentlich beeinträchtigt, während für

die Höhen schon bei geringen Abschattungen negative Auswirkungen

beobachtet wurden (besonders beim RTK-System Trimble 4000 SSi).

Die Untersuchungen zeigen, daß man grobe Fehler nicht durch doppelte

RTK-Messungen bei Verwendung zweier Referenzstationen zu verschiedenen

Zeitpunkten eliminieren kann.

Deswegen bleibt die Zuverlässigkeit noch immer das Hauptproblem der

Echtzeitvermessung. Sie ist nur in abschattungsfreien Gebieten

zufriedenstellend gewährleistet. Ihre Abhängigkeit vom Grad der

Abschattung wurde nachgewiesen.

Fazit: RTK-Systeme können bei Genauigkeitsforderungen von 2 cm für die

Lage eingesetzt werden, wenn im Messungsgebiet nur geringfügige

Abschattungen vorhanden sind. Bei Absteckungen sollten auf klassische

Kontrollmöglichkeiten nicht verzichtet werden.

Die 1998 untersuchten RTK-Systeme Trimble 4800, Geotracer 2204 und

Leica SR 9500 unterscheiden sich kaum in bezug auf Genauigkeit und

Zuverlässigkeit. Nur bei Komfort und Bedienung sind Unterschiede zu

erkennen. Der Vergleich der Bewertungen von 1997 und 1998 zeigt die

schnelle technische Weiterentwicklung. Die Firma Trimble stellte 1997

mit dem System 4800 ein völlig neu konzipiertes RTK-System vor, das

für andere Anbieter vorbildlich wurde.

Es bleibt zu hoffen, daß durch künftige Hard- und

Softwareentwicklungen Real-Time-GPS zu einer wirklich universellen

Methode vervollkommnet werden kann.

9 Danksagung

Die Messungen für diese Untersuchungen wurden im Rahmen mehrerer

Diplomarbeiten durchgeführt. Aus diesem Grund gilt unser Dank

folgenden Diplomandinnen und Diplomanden: Frau Sibylle Hartig, Frau

Manuela Lattke, Frau Katrin Mudra, Frau Paula Pfefferkorn, Frau

Solveig Schoen, Herrn Dirk Band, Herrn Torsten Groetchen, Herrn André

Hofmann, Herrn Andreas Kell, Herrn Kai Liebe, Herrn Steffen Markert,


19

Herrn Ralf Meißner, Herrn Dirk Peukert, Herrn André Totterwitz und

Herrn Torsten Weber.

Literatur

1. Kuhn M., Obermeier S. und Heck B. (1998): Untersuchungen zum Einsatz

von GPS-Echtzeitvermessungssystemen in der Praxis; ZfV (5/98), 140-

149.

2. Handbücher für GPS-Echtzeitvermessungssysteme: Ashtech GG 24,

Geotracer 2200 und 2204, Leica SR 399 und SR 9500, Trimble 4000 SSi,

4400 und 4800 und Zeiss GePos RM 24.

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