Verständnis der RTK-Grundsätze und Genauigkeit: Was Vermesser wissen sollten

Eine der häufigsten Fragen von RTK-Nutzern ist einfach:

"Warum erreicht mein RTK nicht immer die in den Spezifikationen angegebene Genauigkeit?"

Viele Nutzer konzentrieren sich auf die veröffentlichten Genauigkeitszahlen, achten aber weniger darauf, wie RTK tatsächlich funktioniert.Das Verständnis der RTK-Positionierungsprinzipien ist genauso wichtig wie das Wissen der Zahlen auf einem Spezifikationsblatt..

Ein Missverständnis tritt häufig auf, weil die RTK-Genauigkeit nicht allein durch Satellitenmessungen bestimmt wird.

Um zu verstehen, woher Fehler kommen, hilft es, den RTK-Prozess in zwei Hauptphasen zu unterteilen.

1Echtzeit-Fase-Differenzpositionierung des Trägers

Die Satellitenpositionierung wird durch mehrere Fehlerquellen beeinflusst, darunter:

• Atmosphärische Verzögerungen
• Satellitenumlaufbahnfehler
• Satellitenuhrfehler
• Multipath-Effekte
• Geräusch des Empfängers

Um diese Fehler zu reduzieren oder zu beseitigen, setzt RTK auf mindestens zwei gleichzeitig funktionierende GNSS-Empfänger.

Im Gegensatz zur herkömmlichen statischen GPS-Vermessung, bei der Beobachtungen später in der Bürosoftware verarbeitet werden, führt RTK Differentialberechnungen in Echtzeit durch.

Die Einrichtung besteht typischerweise aus:

Basisstation

Der Basisempfänger wird an einem bekannten oder festgelegten Punkt platziert und beobachtet kontinuierlich Satellitensignale und sendet Korrekturinformationen.

Rover-Empfänger

Der Rover erhält:

• GNSS-Satellitenbeobachtungen
• Berichtigungsdaten der Basisstation

Mit Hilfe beider Datenströme berechnet der Rover seine Position in Bezug auf die Basisstation in Echtzeit.

Dieser Prozess ermöglicht es RTK-Systemen, hochpräzise räumliche Beziehungen zwischen den beiden Empfängern zu bestimmen.

Unter normalen Bedingungen wird die mit dem Gerät verbundene Messgenauigkeit üblicherweise als

Horizontale: 1 cm + 1 ppm
Vertikal: 2 cm + 1 ppm

Diese Werte beschreiben jedoch nur die Positionierungsleistung unter idealen Beobachtungsbedingungen.

Die Feldumgebung kann das Endergebnis noch beeinflussen.

Bäume, Gebäude, Funkstörungen, Satellitengeometrie und schlechte Beobachtungsbedingungen können zusätzliche Unsicherheiten hervorrufen.

2Koordinatentransformation

Die Berechnung der relativen Position ist nur ein Teil des Arbeitsablaufs.

Landvermesser arbeiten selten direkt im Satellitenkoordinatensystem.

GNSS-Beobachtungen werden natürlich in einem globalen Bezugsrahmen wie WGS-84 generiert, während Ingenieurprojekte oft Koordinaten in lokalen oder nationalen Systemen benötigen.

Beispiele hierfür sind:

• Peking 54
• Xian 80
• Systeme der Staatsebene
• Lokaltechnische Koordinatensysteme

Aus diesem Grund wird eine Koordinatentransformation notwendig.

Die meisten Vermessungssoftware verarbeitet horizontale und vertikale Transformationen getrennt.

Horizontale Umwandlung

GPS-Koordinaten werden zuerst in Flugzeugkoordinaten projiziert.

Bekannte Kontrollpunkte werden dann zur Berechnung von Transformationsparametern verwendet, wobei üblicherweise ein zweidimensionales Ähnlichkeitstransformationsmodell verwendet wird.

Erhöhungsumwandlung

Zu den Methoden gehören:

• Einbau von Flugzeugen
• Oberflächenanpassung
• Quadratische Modelle
• Lokale Geoid-Anpassungsansätze

Die Software schätzt die Höhenanomalien anhand bekannter Referenzhöhen und ermittelt die endgültigen Höhenwerte.

Koordinatenumwandlung kann auch Fehler hervorrufen

Viele Nutzer gehen davon aus, dass RTK-Fehler nur aus Satellitenbeobachtungen stammen.

In Wirklichkeit hat die Qualität der Umwandlung oft einen großen Einfluß.

Transformationsfehler werden hauptsächlich durch

• Genauigkeit der Kontrollpunkte
• Verteilung der Kontrollstellen
• Koordinierte Eingabefehler
• Projektionswirkungen

Selbst perfekte Satellitenbeobachtungen können schlechte Kontrolldaten nicht ausgleichen.

Bewertung der RTK-Genauigkeit in der Praxis

Moderne RTK-Steuerungen zeigen in der Regel Echtzeitqualitätsindikatoren an.

Benutzer überwachen häufig:

• HRMS (Horizontale Quadratwurzel)
• VRMS (vertikale Quadratwurzel)

Diese Werte stellen die Qualität der GNSS-Messungen während der Beobachtung dar.

Sie zeigen jedoch nicht unbedingt Koordinattransformationsprobleme.

Oft sind zusätzliche Kontrollen erforderlich.

Mit drei oder mehr Kontrollpunkten

Bei Verwendung von drei oder mehr bekannten Kontrollpunkten kann die Software Transformationsparameter berechnen und Restfehler schätzen.

Zu den typischen Ergebnissen gehören:

• Northing-Rückstände
• Rückstände aus dem Auslaufen
• Standardabweichungen der Transformation

Diese Statistiken helfen zu bewerten, ob das Transformationsmodell zuverlässig ist.

Wenn der Transformationsrückstand die erwarteten Werte übersteigt, z. B. mehr als etwa 5 cm, während die RTK-Messindikatoren normal bleiben, ist das Problem möglicherweise nicht die Satellitenpositionierung.

Zu den möglichen Ursachen gehören:

• Falsche Punktwahl
• Fehler bei der Eingabe von Koordinaten
• Ungleichmäßige Verteilung der Kontrollpunkte
• Schlechte Qualität der Kontrollpunkte

Diese Probleme treten häufiger auf, als viele Benutzer erwarten.

Was geschieht mit nur zwei Kontrollpunkten?

Zwei Punkte stellen nur die mathematischen Mindestanforderungen für die Berechnung der Transformationsparameter dar.

Das Problem ist, dass es keine Überschüsse gibt.

Ohne Redundanz kann Software die Transformationsqualität nicht statistisch bewerten.

In diesen Situationen überprüfen die Benutzer häufig den Skalafaktorparameter, der üblicherweise als ρ (rho) dargestellt wird.

Im Idealfall:

ρ ≈ 1

Wenn der Skalierungsfaktor deutlich von der Einheit abweicht, zum Beispiel:

Der Wert der Verbrennungsmenge beträgt

Die Umwandlung kann die technischen Genauigkeitsanforderungen nicht mehr erfüllen.

Wenn die GNSS-Messungen stabil erscheinen, während der Skalierungsfaktor abnormal erscheint, sollten die Kontrollpunkte sorgfältig überprüft werden.

Praktische Empfehlungen

• Wenn möglich, mindestens drei bekannte Kontrollpunkte verwenden
• Aufrechterhaltung einer ähnlichen Qualität an allen Kontrollstellen
• Punkte gleichmäßig auf das Erhebungsgebiet verteilen
• Überprüfung der Transformationsrückstände nach der Kalibrierung
• Bei Verwendung einer Zwei-Punkte-Kalibrierung ist zu überprüfen, ob der Skalierungsfaktor nahe 1 bleibt.

RTK kann eine Position auf Zentimeterhöhe liefern, aber diese Genauigkeit zu erreichen hängt nicht nur vom Empfänger selbst ab.

In vielen Projekten spielen die Qualitätskontrolle und die Koordinierung ebenso eine wichtige Rolle wie die Satellitenbeobachtungen.

Ein Verständnis dieser Einzelheiten kann dazu beitragen, viele der Probleme zu vermeiden, mit denen sich Beobachterteams täglich konfrontiert sehen.