Die folgenden Seiten sollen dem interessierten Leser die Problematik bei der Einbindung von GPS- Messungen in die Gebrauchsnetze  erläutern.

Die verwendeten Fachbegriffe können im Folgenden nicht immer erläutert werden, deshalb wird an dieser Stelle auf ein Buch von Prof. Hoffmann-Wellenhof "GPS in der Praxis" verwiesen.

 

Datumsproblematik

Sobald GPS-Beobachtungen zur Verdichtung oder Erneuerung des Gebrauchsnetzes verwendet werden müssen, sind entsprechende Rechenschritte erforderlich. Das eigentliche Interesse gilt den Lagekoordinaten und Höhen im Landessystem, deshalb muss an geeigneter Stelle eine Transformation vom WGS84 (Koordinatensystem der Satelliten) in das Landessystem durchgeführt werden.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Beschaffung geeigneter Transformationsparameter aus dem Landessystem in das WGS 84 System.

 

Bezugssysteme in der Lage:

Das World Geodetic System 1984 ( WGS 84 ) ist das vom amerikanischen Verteidigungsministerium veröffentlichte System zur Beschreibung der Bahndaten der GPS - Satelliten. Die Festlegung des verwendeten Ellipsoids fußt auf dem Geodetic Reference Systems 1980 von Prof. Moritz.

Das WGS 84 gehört zu den globalen terrestrischen Bezugssystemen, welche durch geozentrische mit dem Erdkörper rotierende Koordinatensysteme mit dem Ursprung im Massenschwerpunkt der Erde festgelegt werden. Die Genauigkeit der geozentrischen Koordinaten des GPS-Kontrollsegments liegen in der für die Satellitenortung ausreichenden Größenordnung "Meter".

Während diese Systeminkonsistenz für das typische Differenzverfahren in kleinräumigen GPS-Vermessungsaufgaben ohne Bedeutung ist, wurde für großräumige und globale Netze ein verbessertes Koordinatensystem geschaffen.

Eine detaillierte Beschreibung des WGS-84 findet man bei DECKER

 

ETRF 89

Seit 1988 werden durch Satellite-Randing (SLR) und Very Long Baseline Interferometrie (VLBI) im Rahmen der Messungen des Internationalen Earth Rotations Service (IERS) Koordinaten von weltweit über hundert Stationen im IERS Terrestrial Reference Frame (ITRF) bestimmt.

Über die Stationen des IERS werden Erkenntnisse über das Verhalten tektonischer Platten der Erde und der Erdrotation gesammelt. Die Koordinatengenauigkeit liegt in der Größenordnung "wenige Zentimeter".

Eine wichtige Besonderheit des ITRF ist, dass es mit dem Bezugsrahmen WGS 84 im Rahmen ihrer jeweiligen Genauigkeit übereinstimmt. Bedingt durch die Erdkrustenplattenbewegung sind die ITRF Koordinaten einer ständigen Veränderung unterzogen, deshalb werden die jährlich berechneten ITRF Koordinatensätze mit Jahreskennungen versehen.

Um in Europa ein zeitlich unverändertes System zu schaffen, wurden die auf der eurasischen Platte liegenden Punkte des ITRF als European Terrestrial Reference System 1989 (ETRS89) definiert und als European Terrestrial Reference Frame 1989 (ETRF 89) bestimmt.

Die Genauigkeit der dreidimensionalen ETRF 89 Koordinaten liegen nach Schätzungen bei ± 5 cm. Damit liegt für Europa ein hochgenauer dreidimensionaler Bezugsrahmen vor.

 

DREF

Basierend auf den ETRF Stationen wurden 1989 im Rahmen einer EUREF Messkampagne weitere Stationen durch GPS Messungen in das ETRF 89 eingebunden. Das EUREF Netz wurde daraufhin in weiteren nationalen Messkampagnen verdichtet, die in Deutschland durchgeführte Kampagne wird als DREF 91 bezeichnet. Die Genauigkeit der im ETRF 89 gegebenen DREF 91 Koordinaten wird auf ± 2 cm geschätzt.

Eine weitere Verdichtung wurde in den einzelnen Bundesländern durchgeführt. Für Europa gibt es also mit dem ETRF 89 einen einheitlichen Bezugsrahmen.

Aus der Tatsache das sich die Bezugsrahmen von WGS 84 und ETRS 89 lediglich im Rahmen ihrer Genauigkeit unterscheiden, sollten bei einer Auswertung von GPS Messungen die ETRF 89 Koordinaten unmittelbar als Anschlusspunkte bzw. Lagerungspunkte benutzt werden.

In Deutschland sind dies die Koordinaten des DREF 91 Netzes und die Koordinaten der im Anschluss an DREF 91 bestimmten Punkte.

 

DHDN

Bedingt durch die teilweise geringe Punktdichte der dargestellten neuen Bezugssysteme und die tlw. fehlende Umsetzung der Bezugssystemen in einigen Bundesländer, gilt das DHDN teilweise weiterhin als amtliches Bezugssystem in der Lage.

Während alle europäischen Staaten ein einheitliches nationales Bezugssystem nutzen, wie es auch 1945 für das Deutsche Reich realisiert war, ist das DHDN heute in 6 Teilbereiche zerfallen.

Es liegen teilweise völlig unterschiedliche Bezugssysteme zugrunde, oder aber auch nur unterschiedliche Netzausbreitungen. Länderspezifische Neuausgleichungen des DHDN haben dazu geführt, dass unterschiedliche Maßstabsfaktoren eingeführt wurden. Die dadurch entstandenen Koordinatenklaffungen von einigen Dezimetern bis hin zu 1-2 Metern wurden in Anbetracht eines spannungsfreien Festpunktfeldes einfach außer Acht gelassen oder in Bereiche gedrückt, in denen sie für das Festpunktfeld ohne Interesse waren (so geschehen in Niedersachsen, wo man die größten Klaffungen in die Elbe gedrückt hat). Die dadurch im Randbereich zu Nachbarbundesländern entstandenen Doppelkoordinierungen wurden in Kauf genommen.

Für den Bereich Schleswig-Holstein sind die Trigonometrischen Punkte 1. und 2. Ordnung im ETRS 89 bestimmt. Bei der Einbindung von GPS-Messungen muss vielfach in das vorhanden (tlw. sehr schlechte ) Netz eingepasst werden.

Wie diese Einpassung zu erfolgen hat, ist mit der Einführung der neuen technischen Anweisung im Jahre 2010 festgelegt worden. In dieser Anweisung wird auf Grundlage einer Formtransformation ein einheitliches Transformationsprogramm vorgegeben, welches eine homogenen Datumsübergang zwischen den beiden Systemen und den damit verbundenen Abbildungen ermöglicht.

Das Transformationsprogramm funktioniert nach dem "Black-Box" Prinzip und gibt dem Nutzer keinerlei Auskunft über der Transformation, geschweige denn eine Dokumentation.

Lotlinien unter Einfluss der Erdschwere

 

Bezugssysteme in der Höhe:

Die aus den GPS-Messungen resultierende ellipsoidische Höhe hat für die praktische Vermessung geringe Bedeutung. Höhen, die für die Praxis benötigt werden, beziehen sich auf Äquipotentialflächen. Eine solche Fläche ist das Geoid, welches man sich als Fortsetzung der ruhenden Meeresoberfläche unter dem Festland vorstellen kann.

Der vertikale Abstand von der Äqipotential- zur Erdoberfläche wird als orthometrische Höhe bezeichnet, welche sich allerdings i.d.R. nicht direkt messen lässt (die ellipsoidische Höhe ergibt sich aus H = orthometrische Höhe + Geoidundulation).

Gebrauchshöhen werden durch Nivellement an den Meeresspiegel angeschlossen. Das Bezugssystem in Deutschland war ursprünglich der Pegel von Amsterdam, von dem aus eine Höhe an die Berliner Sternwarte mit der Höhe 37 m übertragen wurde.

Aus dieser Festlegung resultiert die sogenannte NN-Fläche, bei der an die gemessenen Höhenunterschiede eine normalorthometrische Korrektur angebracht wurde. Diese unterstellt ein homogenes Rotationsellipsoid, bei dem die Schwere von der geographischen Breite und der Höhe abhängt. Diesem System liegen heute noch die Höhen im Bereich der alten Bundesländer zugrunde, die ellipsoidischen Höhen ergeben sich demnach aus H = NN-Höhe + NN-Undulation.

Für das System SNN 76 im Bereich der ehemaligen DDR wurden sogenannte Normalhöhen eingeführt. Diese Höhen wurden ausgehend vom Pegel Kronstadt bei Leningrad bestimmt und differieren von den NN Höhen um etwa 1 Dezimeter. Die ellipsoidischen Höhen ergeben sich aus den Normalhöhen mit H = Normalhöhen + Höhenanomalie.

Für die GPS-Messungen stellt sich damit die Aufgabe, eine Beziehung zwischen den geometrisch definierten ellipsoidischen Koordinaten einerseits und den physikalisch definierten schwerebezogenen Höhen andererseits einen Zusammenhang herzustellen. Äquipotentialflächen besitzen infolge der Topographie und der Dichte des Gesteins eine wellenförmige mit mathematischen Formeln nicht beschreibbare Gestalt.

Den Abstand zum mathematisch definierten Ellipsoid nennt man Geoidundulation. Entsprechend wird der Abstand zwischen NN-Fläche und Bessel-Ellipsoid als NN-Undulation bezeichnet. Geoidundulationen lassen sich aus Messungen der Schwere und Lotabweichungen absolut auf wenige Dezimeter bestimmen, relativ sogar auf 2-3 mm pro km Entfernung.

Aus Punkten, von denen die ellipsoidische Höhe als auch die NN-Höhen bekannt sind, lassen sich die NN-Undulationen berechnen. Identische Punkte können durch Nivellement geschaffen werden und dadurch, dass man vorhandene Höhenpunkte in die GPS-Messungen mit einbezieht.

Die Undulation kann somit durch ein geeignetes Interpolationsverfahren auf die nicht identischen GPS-Punkte übertragen werden. Dieses Verfahren ist natürlich davon abhängig, wie wellig die NN-Fläche ist, wie groß die Anzahl identischer Punkte ist und von der Geometrie dieser Punkte.