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NÖV Nachrichten aus dem öffentlichen Vermessungswesen Nordrhein-Westfalen Innenministerium des Landes Nordrhein-Westfalen NÖV NRW 2/2006 Geodätischer Raumbezug in NRW – gestern, heute und zukünftig – Wolfgang Irsen 3 Mit ALKIS ® in ein neues Zeitalter Stephan Heitmann 13 Präsentation von ALKIS ® Standardausgaben in NRW – ein Werkstattbericht Klaus Heyer 17 Amtliche Hauskoordinaten, ein Angebot der AdV Martin Knabenschuh und Gerfried Westenberg 27 Arbeitsabläufe bei Liegenschaftsvermessungen mit SAPOS ® Wolfgang Kuttner, Katja Nitzsche und Peter Reifenrath 37 Zur Vertretung von Kirchengemeinden im Grenzfeststellungs- und Abmarkungsverfahren Markus Rembold 51 GPS-Antennenkalibrierungen beim Landesvermessungsamt NRW – Konzept und erste Erfahrungen Manfred Spata, Bernhard Galitzki, Klaus Strauch und Heidrun Zacharias 62 Neue Mess-Schiene mit CFK-Stab zur EDM-Eichung beim Landesvermessungsamt NRW Walter Knapp 78 Zur Überprüfung der NN- und NAP-Höhen der Unterirdischen Festlegungen (UF) an der Grenze zu den Niederlanden Reiner Boje, Winfried Klein, Jürgen Schulz und Manfred Spata 81

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NÖVNachrichten aus dem öffentlichen VermessungswesenNordrhein-Westfalen

Innenministeriumdes LandesNordrhein-Westfalen

NÖV NRW 2/2006

Geodätischer Raumbezug in NRW – gestern, heute und zukünftig –Wolfgang Irsen 3

Mit ALKIS® in ein neues ZeitalterStephan Heitmann 13

Präsentation von ALKIS® Standardausgaben in NRW– ein WerkstattberichtKlaus Heyer 17

Amtliche Hauskoordinaten, ein Angebot der AdVMartin Knabenschuh und Gerfried Westenberg 27

Arbeitsabläufe bei Liegenschaftsvermessungen mit SAPOS®

Wolfgang Kuttner, Katja Nitzsche und Peter Reifenrath 37

Zur Vertretung von Kirchengemeinden im Grenzfeststellungs-und AbmarkungsverfahrenMarkus Rembold 51

GPS-Antennenkalibrierungen beim Landesvermessungsamt NRW– Konzept und erste ErfahrungenManfred Spata, Bernhard Galitzki, Klaus Strauch undHeidrun Zacharias 62

Neue Mess-Schiene mit CFK-Stab zur EDM-Eichungbeim Landesvermessungsamt NRWWalter Knapp 78

Zur Überprüfung der NN- und NAP-Höhen der UnterirdischenFestlegungen (UF) an der Grenze zu den NiederlandenReiner Boje, Winfried Klein, Jürgen Schulz und Manfred Spata 81

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62 : NÖV NRW 2/2006

VwVfG NRW: Verwaltungsverfahrensgesetz für dasLand Nordrhein-Westfalen (VwVfG NRW) in derFassung der Bekanntmachung vom 12.11.1999 (GV.NRW. S. 602/SGV. NRW. 2010)

WRV: Die Verfassung des Deutschen Reichs vom11.08.1919 (RGBl. S. 1383), „Weimarer Reichsver-fassung“

Markus RemboldKreisverwaltung Ennepe-Ruhr-Kreis

Hauptstr. 9258332 Schwelm

E-Mail: [email protected]

1 Einleitung

Das Landesvermessungsamt Nordrhein-West-falen (LVermA NRW) kalibriert seit Dezember2000 die geodätischen GPS-Antennen dernordrhein-westfälischen SAPOS ®-Referenz-stationen. Das Ziel der Kalibrierung bestehtdarin, genaue Kenntnisse über die elektrischenEmpfangseigenschaften einer GPS-Antennezu erhalten, damit unterschiedliche Antennen-typen und Fabrikate gleichzeitig eingesetztwerden können, ohne dass es bei den SAPOS®-Nutzungen zu Qualitätsverlusten kommt(www.saposnrw.de). Der vorliegende Beitraggibt eine Einführung in die Thematik der GPS-Antennenkalibrierung am praktischen Beispieldes Kalibrierstandortes LVermA NRW in Bonn(Spata 2001). Danach wird über die bishergewonnenen Erfahrungen aus rund 120 Ein-zelkalibrierungen mit dem Vergleich relativerund absoluter Antennenparameter sowie mitdem Vergleich individueller und typspezifi-scher Parameter ausführlich berichtet.

2 GPS-Antennenparametermodell

Zur eindeutigen Zuordnung von Kalibrierpa-rametern müssen der Antennenreferenzpunkt(ARP) und die Nordorientierung der GPS-Antenne definiert sein. Der ARP ist definiertals Durchstoßpunkt der vertikalen Symmetrie-achse der Zentriervorrichtung durch die dazusenkrecht stehende horizontale Antennenrefe-renzebene. Der virtuelle ARP liegt stets auf derUnterseite des Antennengehäuses und wird imenglischen mit „bottom of antenna mount“

bezeichnet (http://www.lverma.nrw.de/pro-dukte/raumbezug/SAPOS/antennenphasen/images/antgraph.txt).

Vom ARP aus werden sowohl die Exzentrizitätzur Vermarkung des Vermessungspunktes(Zentrierelemente nach Lage und Höhe) alsauch die Antennenparameter bestimmt(Abb. 1). Nicht bei allen GPS-Antennen isteine Nordmarkierung werkseitig angebracht.Vor der Kalibrierung wird in solchen FällenNorden auf der Antenne durch das LVermANRW gekennzeichnet.

Abb. 1: Geometrische Definition des Antennen-referenzpunktes (ARP) und des elektrischen

Phasenzentrums (PZ)

Das mechanische Phasenzentrum ist in derRegel ein dünnes Stück Metall, das als Mess-element (engl.: Patch) bezeichnet wird(Abb. 2). Für Zweifrequenz-Messungen mussdie Antenne sowohl L1- als auch L2-Satelli-tenträgerphasen empfangen können. Um einen

GPS-Antennenkalibrierungen beim Landesvermessungsamt NRW– Konzept und erste Erfahrungen

Von Manfred Spata, Bernhard Galitzki, Klaus Strauch und Heidrun Zacharias

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optimalen Empfang zu gewährleisten, weistdas Messelement für jede GPS-Frequenz ande-re Abmessungen auf.

Abb. 2: Auseinandergebaute Spectra-Precision-Choke-Ring-Antenne (Foto: Strauch)

Das elektrische Phasenzentrum (PZ) der GPS-Antenne befindet sich im Idealfall im Mittel-punkt des Messelementes, dem mechanischenZentrum der Antenne. In der Praxis ist daseffektive elektrische Phasenzentrum der An-tenne jedoch kein konstanter Punkt, sondernunterliegt kleinen Variationen. Diese Variationist eine Funktion des aktuellen Azimuts undder Elevation des verfolgten Satelliten. DieVariation zwischen diesen elektrischen Anten-nenphasenzentren beschreibt die Form einesFehlerellipsoids (Görres 2001, Krantz et al.2001).

Zur Beschreibung der Variationen werden zweiTypen von Korrektionsparametern unterschie-den: Der konstante Antennenphasenoffset(engl.: Phase Center Offset, PCO) sowieAntennenphasenvariationen (engl.: Phase Cen-ter Variations, PCV), die aus elevations- oderelevations- und azimutabhängigen Termenbestehen können (Abb. 3). Die Bestimmungvon Antennenphasenoffsets und Antennenpha-senvariationen sind voneinander abhängig unddürfen nur als konsistenter Datensatz gemein-sam zur Korrektion verwendet werden.

Der Antennenphasenoffset (PCO) beschreibtin seinen drei Komponenten die Exzentrizitätnach Lage (Nord, Ost) und Höhe in einemantennenfesten Bezugssystem zwischen demAntennenreferenzpunkt (ARP) und elektri-schen Antennenphasenzentrum (PZ).

Abb. 3: Definition der Antennenphasenoffsets (PCO)und der Antennenphasenvariationen (PCV)

(Campbell et al. 2004)

Die Antennenphasenvariationen (PCV) be-schreiben die azimut- und elevationsabhängi-gen Abweichungen (d�) der realen von deridealen Phasenfront im antennenfesten Be-zugssystem. Die Phasenfehler dF werden ineinem Raster über alle Elevationen W und alleAzimute W bestimmt. Die Antennenparametersind getrennt für beide GPS-Observablen L1und L2 zu ermitteln. Die Ergänzung einerGPS-Antenne um eine Grundplatte oder eineWetterschutzhaube (Radom) beeinflusst daselektrische Antennenphasenzentrum und er-fordert somit eine eigenständige Kalibrierung(Görres 2001, Menge 2003, Becker et al.2006).

3 Bezugsniveau und Datenformate

Relatives Niveau

Die Antennenparameter einer relativen Kali-brierung beziehen sich auf eine Referenzan-tenne, hier konkret auf die allseits anerkannteUS-amerikanische Referenzantenne Dorne-Margoline-Choke-Ring-Antenne, deren Lage-Offset-Werte und PCV-Werte zu Null gesetztsind; lediglich Höhen-Offset-Werte von 110mm für L1 und 128 mm für L2 sind berück-sichtigt. Auch die vom International GPS Ser-vice for Geodynamics (IGS) veröffentlichtenAntennenparameter in Form von Typmittelnbeziehen sich auf diese Referenzantenne (Gör-res 2001, Wanninger 2002).

Absolutes Niveau

Die Antennenparameter einer absoluten Kali-brierung beziehen sich auf die zu kalibrieren-

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de Antenne selbst (i.d.R. auf den ARP), alsonicht auf eine Referenzantenne (Menge 2003,Wübbena 2003a, Campbell et al. 2004, Beckeret al. 2006).

AdV-Nullantenne

Die Nullantenne bezeichnet eine quasi fehler-freie GPS-Antenne. Werden die Messdateneiner Antenne um die in einer Kalibrierungbestimmten Einflüsse der PCO und PCV kor-rigiert, kann diese Fehlerfreiheit praktischerreicht werden. Eine Nullantenne ist nur aus-wertetechnisch realisierbar, konstruktiv isteine Nullantenne nicht möglich (Schmitz et al.2005). Die Antennenbezeichnung „ADVNUL-LANTENNA“ zeigt an, dass die gemessenenSatellitendaten um die absoluten Antennenpa-rameter korrigiert sind und dass sich die Beob-achtungen auf den AntennenreferenzpunktARP beziehen. Im SAPOS ®-HEPS wird zurKennzeichnung dieses Bezugs in der RTCM-V2.3-Botschaft 23 der String „ADVNUL-LANTENNA“ verschickt (AdV SAPOS ®-Techkom, 8. Sitzung 2002; AdV-SAPOS ®-Flyer 2004).

Datenformate

Antennen-Kalibrierdaten gibt es in firmenspe-zifischen und firmenunabhängigen Formaten.Von SAPOS® werden die firmenunabhängigenFormate IGS und ANTEX (engl.: Antenna

Exchange) verwendet. Das IGS-Format(Abb. 4) berücksichtigt für die Frequenzen L1und L2 neben den PCO nur elevationsabhän-gige PCV in 5 Grad Schritten, theoretisch abNull Grad Elevation, praktisch ab 10 Grad; eswerden jedoch keine azimutabhängigen Termeberücksichtigt. Der internationale Dienst IGSveröffentlicht seit 1996 typspezifische Kali-brierergebnisse (Typmittel) verschiedenerNutzergruppen unter ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/station/general/igs_01.pcv. Die Typmittelwerden aus mehreren individuellen Kalibrie-rergebnissen baugleicher Antennen berechnet.Auch das NGS (National Geodetic Survey,U.S.A.) stellt im Internet typspezifische Kali-brierdaten im IGS-Format unter http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/ frei zur Verfü-gung. GPS-Antennen werden nach denNamenskonventionen des IGS bezeichnet. DieBezeichnungen sind im Internet unterhttp://www.epncb.oma.be/ftp/station/gene-ral/rcvr_ant.tab aufgelistet. Im SAPOS ®-Dienst werden diese Bezeichnungen ebenfallsverwendet.

Um dem Wunsch von Wissenschaft und Praxisnachzukommen, eine detaillierte Beschrei-bung einer kalibrierten Antenne zu erhalten,wurde auf dem IGS-Symposium im März 2004in Bern ein neues Antennenparameterformat,das ANTEX-Format (Abb. 5), propagiert.

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Abb. 4: Antennenparameter im IGS-Format (Auszug)

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(ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/station/general/antex13.txt) Das neue Datenformat beinhaltetzusätzlich zum IGS-Format u.a. folgendeInformationen:

� Bezugsniveau,� individuelle Antennenangaben,� Kalibrierverfahren,� Kommentarzeilen,� azimutale Korrektionswerte in 5-Grad-

Schritten.

Hinsichtlich der Antennen-Nordrichtungbesteht auch im neuen ANTEX-Format nur dieMöglichkeit, diese als Kommentar zu erfas-sen, ohne eine wünschenswerte Abbildung.Das ANTEX-Datenformat für relative undabsolute Kalibrierergebnisse sollte ab 2004 dasbisherige offizielle IGS-Format ablösen. DieEinführung der Absolutparameter stieß jedochbei den IGS-Beteiligten auf erhebliche logisti-sche Schwierigkeiten, so dass in Bern nochkein konkreter Einführungszeitpunkt benanntworden ist (Rothacher und Schmid 2002,Schmid et al. 2004). Der Umstieg vom relati-ven auf das absolute Niveau soll innerhalb desIGS zeitgleich mit dem Umstieg auf das neueSystem ITRF2005 nun im Mai 2006 stattfin-den.

Bereits auf seiner Sitzung am 16./17.06.2004in Schwerin fasste der AdV-Arbeitskreis Geo-dätischer Raumbezug folgenden Beschluss:

1. Der Arbeitskreis beschließt die Nutzung desFormates ANTEX zur Verwaltung derAntennenkorrektionsparameter.

2. Die von den Ländern bei der Zentralen Stel-le SAPOS ® vorliegenden Kalibrierwertewerden in das Format ANTEX gewandeltund von den Ländern gepflegt.

Bei allen GPS-Auswertungen ist darauf zuachten, dass konsistente Kalibrierformate be-nutzt werden.

4 Verfahren zur Kalibrierung vonGPS-Antennen

Zur Kalibrierung von GPS-Antennen gibt esfolgende Messmethoden:

� Absolute Kalibrierung in einer Mess-kammer,

� Absolute Kalibrierung im Feldverfah-ren,

� Relative Kalibrierung im Feldverfah-ren.

Im folgenden werden die absolute und relativeFeldkalibrierung näher behandelt, hingegenwird die absolute Kammerkalibrierung hiernicht erörtert.

Die absolute Feldkalibrierung hat dengroßen Vorteil, das die Ergebnisse unabhängigvon einer Referenzantenne (Mutterantenne)sind. Die Parameter aus einer Absolutkalibrie-

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Abb. 5: Antennenparameter im Format ANTEX (Auszug)

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rung sind nahezu frei von Mehrwegeeffektenund reichen bis zum Nullhorizont (Menge2003, Wübbena et al. 2003a, Campbell et al.2004, Becker et al. 2006). Dazu muss die zuprüfende Antenne (Prüfling) in Azimut undElevation auf einem Roboterarm gedreht wer-den (Abb. 6).

Abb. 6: Roboterarm der Firma Geo++®

(Foto: Geo++®)

Das absolute Feldkalibrierverfahren wurdevon der Firma Geo++® (www.geopp.de) in Zu-sammenarbeit mit dem Institut für Erdmessung(IfE) der Universität Hannover entwickelt. Dasautomatisierte Echtzeitverfahren setzt aufEpochendifferenz-Beobachtungen auf (Menge2003, Wübbena et al. 2003a).

Beim Verfahren der relativen Feldkalibrie-rung werden stets in Bezug auf die bekanntenParameter der Mutterantenne die Antennen-phasenoffsets (PCO) und Antennenphasenva-riationen (PCV) des Prüflings bestimmt(Abb. 7) (Görres 2001, Wanninger 2002, Men-ge 2003, Becker et al. 2006). Seit Dezember2000 wird das Verfahren der relativen Feldka-librierung beim Landesvermessungsamt NRWpraktiziert. Die Eignung des Kalibrierstandor-tes wurde vorab vom Ingenieurbüro Wanningeruntersucht. Eine erneute Untersuchung fandim Januar 2005 statt. Auf dem Flachdach des

LVermA-Gebäudes ist eine rund vier Meterlange Messeinrichtung (Stahlschiene) festmontiert (Abb. 8). Auf dem einen Ende ist siemit der Antenne vom Typ Trimble (TRM29659.00 TCWD) der SAPOS ®-Station RS0576 Bonn als Referenzantenne besetzt, aufdem anderen Ende der Schiene befindet sichdie zu kalibrierende Antenne.

Abb. 8: Messeinrichtung zur relativen Feldkalibrierungauf dem Flachdach des LVermA NRW, links die

Referenzantenne (Mutterantenne), rechts der Prüfling(Foto: Galitzki)

Um höchste Genauigkeiten für das Kalibrie-rergebnis zu erreichen, wurde der Höhenun-terschied zwischen den beiden Antennenrefe-renzpunkten (ARP) vorab nivellitisch imSubmillimeterbereich bestimmt (Abb.7). DieKalibriermessungen werden über einen langenBeobachtungszeitraum von mehreren Tagenaufgezeichnet. Die Bestimmung von azimut-abhängigen Phasenvariationen ist wegen desbekannten Nordlochs der GPS-Satellitenkon-figuration erst bei Messung in mindestens zweiAusrichtungen des Prüflings sinnvoll. DieSAPOS ®-Referenzstationsantennen werden

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Abb. 7: Prinzipieller Messaufbau der relativenFeldkalibrierung (nach Menge 2003)

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über einen Zeitraum von 4 x 24 Stunden kali-briert, wobei der Prüfling in seiner horizonta-len Lage alle 24 Stunden um 90 Grad gedrehtwird. Mit dieser Vorgehensweise sind dieLagekomponenten Nord und Ost des PCO-Vektors absolut bestimmbar, d.h. unabhängigvon der Mutterantenne; sie sind nahezu freivon Mehrwegeeffekten. Dagegen werden dieHöhenkomponenten des PCO und die PCV-Werte immer nur relativ bestimmt; sie bezie-hen sich auf die Mutterantenne. Nachteilig amrelativen Feldverfahren ist der Einfluss derlokalen Mehrwegeeffekte und die nicht mögli-che Ermittlung der horizontnahen Parame-teranteile (Görres 2001, Schmitz et al. 2001,Wanninger 2002, Menge 2003, Becker et al.2006).

Alle GPS-Antennen der SAPOS ®-Referenz-stationen werden gemäß GPS-RichtlinienNRW Nr. 2.3.3 (3) individuell kalibriert und inder SAPOS ®-Vernetzung NRW verwendet.

5 Auswertestrategie des LVermA NRWmit WaSoft/Kalib

Laut AdV-Beschluß 10/3 vom 13.11.2002 sinddie auf den SAPOS ®-Referenzstationen einge-setzten GPS-Antennen hinsichtlich elevations-und azimutabhängiger Phasenzentrumsvaria-tionen für den Elevationsbereich 5 bis 90 Gradund den Azimutbereich 0 bis 360 Grad miteiner formalen Unsicherheit (RMS über dengesamten Winkelbereich) von ≤1 mm in L1und ≤1,5 mm in L2 zu kalibrieren.

Die Auswertung der relativen Feldkalibrierunggeschieht mit dem Programmsystem WaSoft/Kalib des Ingenieurbüros Wanninger. Das Pro-gramm unterstützt unterschiedliche Arten vonAntennenkalibrierungen im relativen Feldver-fahren. Die einsetzbaren Mess- und Auswerte-verfahren unterscheiden sich im Beobach-tungsaufbau, in der Wahl der gewünschtenKorrektionsparameter und im Ausgabeformat(www.wasoft.de, Wanninger 2002).

Die Kalibrierauswertung mit WaSoft/Kalibbesteht aus zwei Teilschritten:

1. Basislinienauswertung und

2. Berechnung der Antennenkorrektions-werte.

Das Kalibrierergebnis umfasst Korrektions-werte für das mittlere Antennenphasenzentrum(PCO) und Korrektionen für Phasenzentrums-variationen (PCV). Für die SAPOS ®-Refe-renzstationsantennen wird der Berechnungs-ansatz „unbekannte Basislinie“ gewählt.Zwingende Voraussetzung für diesen Rechen-ansatz ist die Antennenrotation des Prüflings,da nur so eine präzise Bestimmung der Lageseines Phasenzentrums möglich ist. Die Beo-bachtungsdaten werden im 60-Sekundentaktaufgezeichnet. Aufgrund der kurzen Basislinievon ca. 4 m zwischen Mutterantenne und Prüf-ling können die Mehrdeutigkeiten einfachgelöst werden. Das Ergebnis ist praktisch freivon ionosphärischen und troposphärischenFehlern.

Mit Bezug auf das bekannte Phasenzentrumder Mutterantenne werden die Parameter desPrüflings bestimmt. Es werden zunächst diePCO-Werte ermittelt und danach die PCV-Werte über Kugelfunktionsentwicklungenmodelliert. Die Wahl der Korrektionsparame-ter für die Mutterantenne bestimmt das Niveauder Antennenkorrektionen des Prüflings imSinne einer Relativkalibrierung oder einerAbsolutkalibrierung. Da für die MutterantenneParameter auf dem relativen und absolutenNiveau vorliegen, können mit den Beobach-tungen aus dem relativen Feldverfahren beimLandesvermessungsamt NRW Parameter aufbeiden Niveaus bestimmt werden. Für die beimLVermA NRW kalibrierten GPS-Antennenbeziehen sich

� die Kalibrierergebnisse auf relativemNiveau auf die Werte der MutterantenneTrimble (TRM29659.00 TCWDNr. 022011 7349), die vom GeodätischenInstitut der Universität Bonn GIUB 1999bestimmt wurden,

� die Kalibrierergebnisse auf absolutem Ni-veau auf die Werte derselben Mutteranten-ne Trimble, die von der Firma Geo++® 2002bestimmt wurden.

Desweiteren liegen für die Mutterantenne undfür den Prüfling die Kalibrierparameter Para-meter in den Formaten IGS und ANTEX vor.

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Im SAPOS ®-Dienst werden absolute und rela-tive Parameter verwendet.

� Bei SAPOS ®-HEPS werden Antennenpara-meter aus der Absolutkalibrierung in dieRTCM-Korrekturdaten der SAPOS ®-Refe-renzstationen vor dem Versenden einge-rechnet und mit der Botschaft „ADVNUL-LANTENNA“ ausgesandt. Ist die Null-antenne in der Rover-Firmware implemen-tiert, braucht der Nutzer keine Kenntnisvom Bezugsniveau der verwendeten Anten-nenparameter der SAPOS ®-Referenzstati-onsantennen zu haben, sondern kann dafürimmer die „ADVNULLANTENNA“ wäh-len.

� Die RINEX-Daten des SAPOS ®-GPPSsind nicht auf diese Weise vorab korrigiert,sondern stellen unveränderte Rohdaten mitBezug zum elektrischen Phasenzentrumdar. Im Postprocessing ist nun dafür Sorgezu tragen, dass bei allen weiteren Berech-nungen ein einheitliches (absolutes oderrelatives) Niveau verwendet wird (Görres2001, Dick 2002, Becker et al. 2006). Fürdie Postprocessing-Anwendungen GPPSwerden in NRW individuelle Kalibrierun-gen auf IGS-Niveau (relatives Niveau) fürSAPOS ®-Stationsantennen unter (http://www.lverma.nrw.de/produkte/raumbe-zug/SAPOS/antennenphasen/images/SAPOS_Ref-Ant_NRW.txt) zum Downloadbereitgestellt. Auch Typmittel für eine Aus-wahl von GPS-Antennen bietet das Lan-desvermessungsamt NRW seit April 2006zusätzlich im Internet an.

Damit in Postprocessing-Anwendungen (z.B.mit den Programmen ViGO und WaSoft/Virtu-ell) auch die individuellen Korrektionswerteden SAPOS ®-Stationsantennen in NRW zuge-ordnet werden können, wird das IGS-Formatvom LVerma NRW leicht modifiziert. An Stel-le der gebräuchlichen Herstellerbezeichnung(Vendor) verwendet das LVermA NRW dieSeriennummer der Antenne. Auf Anfrage sindfür die SAPOS ®-Antennen auch Kalibrierwer-te auf absolutem Niveau im ANTEX-Formaterhältlich.

6 Vergleich verschiedener Kalibrier-ergebnisse

Beim Vergleich von Kalibrierergebnissen die-nen alle Datenformate nur zur Darstellung derPCO- und PCV-Werte (mit Elevation oder Ele-vation und Azimut). Problematisch bleibt derVergleich von Kalibrierergebnissen verschie-dener Quellen. Ursache dafür sind folgendeEinflüsse:

� Örtliche Kalibriersituation (z.B. Mehrwe-geeffekte, Antennenträger),

� Bezeichnung der Antenne (eindeutige Fest-stellung des Typs, Seriennummer),

� Definition des ARP und der Nordausrich-tung der GPS-Antenne,

� Kalibrieraufbau (z.B. mit und ohneRadom),

� Kalibrierverfahren (relative Feldkalibrie-rung, absolute Feldkalibrierung, Messkam-mer),

� Messverfahren (z.B. 4 x 24 Stunden mitRotation des Prüflings),

� Auswerteprogramm,

� Parametermodell (z.B. mit oder ohne PCV-Werte).

Daraus folgt, dass ein Vergleich von Kalibrie-rergebnissen aus verschieden Quellen nur mitgenauer Kenntnis des Kalibrieransatzes undmit geeigneter Software (z.B. CCANT, Wan-ninger 2004), statthaft ist. PCO-Werte dürfenhier nie für sich alleine betrachtet werden, dasie immer im Zusammenhang mit den PCV-Werten stehen. Die Auswirkung der Korrekti-onswerte für die Observablen L1 und L2 aufdie ionosphärenfreie Linearkomibination L0sind erheblich (Wübbena et al. 2003a, Menge2003, Becker et al. 2006).

Alle nachfolgenden Vergleichsrechnungenwurden mit dem Programm CCANT des Inge-nieurbüros Wanninger durchgeführt. Das Pro-gramm ermöglicht die differenzierte Betrach-tung von verschiedenen GPS- Antennen-korrektionen, u.a.:

� Umwandlung von Datenformaten,

� Wechsel zwischen Relativ-Niveau und Ab-solut-Niveau,

� Vergleich von Einzelkalibrierergebnissen,

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� Zusammenfassung von Einzelkalibrierer-gebnissen zu Typmitteln einer Baugruppe.

In den nachfolgenden Tabellen werden folgen-de CCANT-Begriffe verwendet (Wanninger2004):

� dy (Nord), dx (Ost), dh (Höhe) = Differen-zen des individuellen PCO zum mittlerenPCO (Typmittel).

� PCV-RMS = Standardabweichung einereinzelnen Antenne, berechnet über allePCV-Werte aus den Differenzen zwischenmittlerem (Typmittel) und individuellemDatensatz.

� RMS_diff = quadratisches Mittel über alleDifferenz-PCV-Werte. Dieser Wert ist fürdie Beurteilung zweier Datensätze aus-schlaggebend: Standardabweichungen fürL1 und L2 um einen Millimeter deuten aufeine gute Übereinstimmung hin.

� max_diff = maximaler Wert aller Differenz-PCV-Werte.

Die Differenzbildung in CCANT geschiehtfolgendermaßen:

� die PCV-Werte werden über den Elevati-onsbereich von 5 bis 90 Grad betrachtet,

� für beide Datensätze werden die PCO in diePCV hineingerechnet (die PCO betragendann für Nord, Ost und Höhe Null, wobeisich die Gesamtkorrekturwirkung abernicht ändert),

� es werden die Differenzen der PCV berech-net,

� aus diesen Differenzen werden neue PCOgeschätzt und die Differenz-PCV entspre-chend angepasst.

7 Ergebnisvergleich aus verschiedenenKalibriereinrichtungen

7.1 Tabelle 1a und 1b: Ergebnisvergleichindividueller Antennenkalibrierungenaus verschiedenen Kalibriereinrichtun-gen

In einem ersten Vergleich werden für vierAntennen vom Typ Trimble-Zephyr-Geodetic(TRM41249.00 NONE) (Abb. 9) die Kalibrie-rergebnisse des LVermA NRW und der FirmaGeo++® gegenübergestellt. Die Tabellen zei-

gen die Differenzen der Kalibrierungsergeb-nisse dieser vier Antennen zwischen Geo++®

(Roboter 4. Quartal 2004) und LVermA NRW(Messeinrichtung 4. Quartal 2004). Trotzunterschiedlicher Kalibriermethoden, Kali-brierorte und Auswerteprogramme stimmendie PCO und PCV dieser vier Trimble-Zephyr-Geodetic-Antennen gut überein. Die Tab. 1azeigt Differenzen zwischen Kalibrierungen aufabsolutem Niveau, wobei die Kalibrierungendes LvermA mit einer Mutterantenne vorge-nommen wurden, die durch Geo++® absolutkalibriert wurde. Die Tab. 1b enthält Differen-zen zwischen Kalibrierungen auf relativemNiveau, wobei die Mutterantenne des LVermAdurch das Geodätische Institut der UniversitätBonn kalibriert wurde.

Die Differenzen der Lageoffsets (dy, dx) liegenfür L1 und L2 im Submillimeterbereich. DieDifferenzen der Höhenoffsets (dh) liegen unter1,6 mm, lediglich die Antenne #948 weist fürdie L1-Frequenz eine ungeklärte Differenz von-2,3 mm auf. Für die Beurteilung der Überein-stimmung der PCV ist der Wert RMS_diff aus-schlaggebend. Die Standardabweichungen fürL1 und L2 streuen nur im Submillimeterbe-reich und bedeuten eine gute Übereinstim-mung.

7.2 Tabelle 1c:Vergleich von Typmitteln ausverschiedenen Kalibriereinrichtungen

Um eine Aussage zur Übereinstimmung derKalibrierwerte des NGS mit denen des Lan-desvermessungsamtes NRW machen zu kön-nen, wurden beispielhaft die Typmittel vonTrimble-Zephyr-Geodetic-Antennen (Abb. 9)verglichen. In Tabelle 1c liegen die Differen-zen der Lageoffsets (dy, dx) für L1 und L2 imSubmillimeterbereich. Die Differenzen derHöhenoffsets (dh) betragen für L1 weniger als1 Millimeter, lediglich für L2 erhöht 3 Milli-meter. Berechnet man eine ionosphärenfreieLinearkombination L0, wirken sich diese Dif-ferenzen in der Höhenkomponente mit etwa6 mm aus.

Ein Vergleich der Typmittel von Trimble-Cho-ke-Ring-Antennen ist nicht möglich, da beiden Kalibrierungen des NGS eine andere Wet-terschutzhaube (Radom) verwendet wurdesowie Nordrichtung und ARP nicht beschrie-

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Tab. 1a: Differenzen individueller Kalibrierungen von vier Trimble-Zephyr-Geodetic-Antennen (TRM41249.00 NONE)auf absolutem Niveau

Tab. 1b: Differenzen individueller Kalibrierungen von vier Trimble-Zephyr-Geodetic-Antennen (TRM41249.00 NONE)auf relativem Niveau

Abb. 9: Trimble-Zephyr-Geodetic-Antennen(TRM41249.00 NONE)

(Foto: Galitzki)

Tab. 1c: Differenzen der Typmittel des LVermA NRW unddes NGS der Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne

(TRM41249.00 NONE), 18 Antennen LVermA NRW und4 Antennen NGS auf relativem Niveau

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ben sind. Deshalb sind Typmittel des NGS vonden SAPOS ®-Betreibern für die Referenzstati-onsantennen nicht zu verwenden.

8 Ergebnisvergleich individueller undtypspezifischer Antennenparameter

Zur Überprüfung der Produktgleichheit inner-halb der Fertigungstoleranz von GPS-Anten-nen wurden mit dem Programm CCANT Typ-mittel gerechnet. Bei der Berechnung desTypmittels werden individuelle Kalibrierda-tensätze von baugleichen Antennen zu einemKalibrierdatensatz zusammengefasst. Nacheiner gemeinsamen Neuberechnung der PCO-und PCV-Werte für jeden einzelnen Datensatzund einer Mittelbildung aller Datensätze wer-den hier die Differenzen zwischen mittleremDatensatz (Typmittel) und den einzelnen Da-tensätzen ausgegeben. Die Darstellung erfolgtgetrennt für L1 und L2 und besteht jeweils ausden PCO-Werten für Nord/Ost/Höhe und derStandardabweichung PCV-RMS.

8.1 Tabelle 2a: Typmittelberechnung aus 6Spectra-Precision-Choke-Ring-Anten-nen (SPP571908273 SPKE)

Bisherige Erfahrungen der IGS-Beteiligtenhaben gezeigt, dass die Parameterwerte zwi-schen einer Individualkalibrierung und einemTypmittel (z.B. von IGS oder NGS) bis zuwenigen Zentimetern differieren können.

Tab. 2a: Typmittel aus 6 Spectra-Precision-Choke-Ring-Antennen (SPP571908273 SPKE), Feldkalibrierung

beim LVermA NRW auf relativem Niveau; gegenläufigeLageoffsets sind farbig hinterlegt (in der Internetversion)

Offenbar gibt es auch Antennentypen mit Bau-untergruppen, deren PCV-Werte um 180 Gradgedreht sind, was auf entsprechende Änderun-gen im elektrischen bzw. mechanischen Auf-bau der Antennen einer Typreihe hindeutet

(Schmid et al. 2004). In der ersten Ausbaustu-fe von SAPOS ®-NRW wurden u.a. sechs Spec-tra-Precision-Choke-Ring-Antennen (Abb. 2,10a und 10b) eingesetzt.

Abb. 10a: Spectra-Precision-Choke-Ring-Antenne(SPP571908273), hier ohne Radom (Foto: Galitzki)

Abb. 10b: Spectra-Precision-Choke-Ring-Antenne(SPP571908273 SPKE), hier mit Radom (Foto: Galitzki)

Die Berechnung des Typmittels aus den sechsindividuellen Datensätzen mit CCANT zeigtdeutlich, dass dieser Antennentyp großegegenläufige Lageoffsets hat.

Die Spectra-Precision-Choke-Ring-Antennenwurden von der U.S.-amerikanischen FirmaAeroAntenna Technologies hergestellt. DieKonstruktion der Antenne erlaubt einen um180 Grad gedrehten Einbau der Antennenteile

: NÖV NRW 2/2006 71

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(Patches, Abb. 2) für L1 und L2 im Antennen-gehäuse. Daraus folgt, dass eine uneinheitlicheNordausrichtung möglich ist und somit auchunterschiedliche Werte für die Lageexzentriz-täten bei verschiedenen Antennen der gleichenBaureihe auftreten können. Hieraus erklärensich die umgekehrten Vorzeichen der Exzen-trizitäten für Nord und Ost bei den Ergebnissenin Tab. 2a. Für diesen Antennentyp sollten des-halb keine Typmittel, sondern nur individuelleKalibrierdatensätze verwendet werden. Anson-sten kann es zu Fehlern in der Lagebestim-mung von bis zu 2 cm kommen.

8.2 Tabelle 2b: Typmittelberechnung aus15 Trimble-Choke-Ring-Antennen mitRadom (TRM29659.00 TCWD)

Die Trimble-Choke-Ring-Antenne (Abb. 11aund 11b) ist speziell für den stationären Ein-satz, z.B. in Referenzstationsnetzen, konzi-piert. Beim Aufbau des SAPOS ®-Referenzsta-tionsnetzes in NRW wurden bis 2005 über-wiegend diese Antennen mit Wetterschutzhau-be (Abb. 11b) verwendet. Die 15 Antennenstimmen fertigungstechnisch gut überein.Nach Tab. 2b betragen die Differenzen derindividuellen Lageoffsets für L1 und L2 zumTypmittel etwa 1 mm. Erwartungsgemäß sinddie Höhenoffsets etwa zweifach größer, maxi-mal –2,3 mm.

Abb. 11a: Trimble-Choke-Ring-Antenne (TRM29659.00)ohne Radom (Foto: Galitzki)

Abb. 11b: Trimble-Choke-Ring-Antenne(TRM29659.00 TCWD) hier mit Radom (Foto: Galitzki)

72 : NÖV NRW 2/2006

Tab. 2b: Typmittel aus 15 Trimble-Choke-Ring-Antennen (TRM29659.00 TCWD) mit Radom, Feldkalibrierungbeim LVermA NRW auf relativem Niveau.

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8.3 Tabelle 2c:Typmittelberechnung aus 18Trimble-Zephyr-Geodetic-Antennen(TRM41249.00 NONE)

Die Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne hateine ähnlich hohe Produktgleichheit (Ferti-gungstoleranz) wie die Trimble-Choke-Ring-Antenne. Auch hier deuten in Tab. 2c die klei-nen Differenzen der individuellen PCO zumTypmittel in dx, dy und dh sowie in PCV-RMSauf eine hohe fertigungstechnische Überein-stimmung der einzelnen Antennen hin. DieTrimble-Zephyr-Geodetic-Antennen werdenz.Z. auf 18 der 27 SAPOS ®-Referenzstationenin NRW eingesetzt.

Die Abbildungen 12a und b zeigen die guteÜbereinstimmung der 18 individuellen eleva-tionsabhängigen PCV-Werte gegenüber ihrenTypmitteln in L1 und L2 auf relativem Niveau.Die Abweichungen zum Typmittel sind auchdarin begründet, das die individuellen PCO-Werte nicht vorab auf einen Mittelwert ge-zwängt worden sind.

Die Abbildungen 13a und b enthalten dieTypmittel in L1 und L2 der elevationsabhängi-gen PCV-Werte auf absolutem Niveau.

Abb. 13a und 13b: PCV-Typmittel der 18 Timble-Zephyr-Geodetic-Antennen (TRM41249.00 NONE), dargestellt

mit dem NRW-Programm BIANKA für L1 und L2;Zenitwinkel 0o im Zentrum; absolutes Niveau,

Feldkalibrierung beim LVermA NRW

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Abb. 12a und 12b: Individuelle Kalibrierergebnisse undTypmittel von 18 Timble-Zephyr-Geodetic-Antennen(TRM41249.00 NONE); elevationsabhängige PCV,

relatives Niveau, Feldkalibrierung beim LVermA NRW;Typmittel mit großen Rauten dargestellt

Tab. 2c: Typmittel aus 18 Trimble-Zephyr-Geodetic-Antennen (TRM41249.00 NONE), Feldkalibrierung

beim LVermA NRW auf relativem Niveau

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9 Kalibrierung unter verschiedenenMontagebedingungen (Grundplatte,Radom, Dreifuß)

Der Einfluss eines veränderten Nahfeldes(Montage der Antenne) und seine elektrischeKopplung können das Empfangsverhalten derAntenne verändern (Wübbena et al. 2003b,Becker et al. 2006). Die Kalibrierergebnissewurden an folgenden drei Fällen untersucht:

� Antenne mit Grundplatte,� Antenne mit Grundplatte und Radom,� Antenne mit zweitem Dreifuß über Grund-

platte mit Radom.

9.1 Tabelle 3a: Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne mit Grundplatte

Die Montage einer Grundplatte unter einerTrimble-Zephyr-Geodetic-Antenne (Abb. 14)bewirkt eine Änderung beim L1–Höhenoffsetvon +1,89 mm und beim L2 –Höhenoffset von–1,10 mm (Tab. 3a). Die PCV-Werte weisenDifferenzen von bis zu 4 mm aus.

Tab. 3a: Differenzen der Antennenparameter einerTrimble-Zephyr-Geodetic-Antenne (TRM41249.00) mit

bzw. ohne Grundplatte bei Feldkalibrierung desLVermA NRW auf relativem Niveau

9.2 Tabelle 3b: Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne mit Grundplatte und Radom

Die Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne wirdauf den Referenzstationen in der Regel ohneWetterschutzhaube (Radom) eingesetzt (Abb.9 und 15). Allerdings ist es sinnvoll, in Mittel-gebirgslagen die Antenne durch Montage einesRadomes mit Grundplatte gegen Witterungs-einflüsse zu schützen. Der Einfluss dieserMontage auf das Kalibrierergebnis (Tab. 3b)beträgt beim L1-Höhenoffset –3,18 mm undbeim L2-Höhenoffset –2,16 mm. Die PCV-

Werte weisen Differenzen von bis zu 5 mmaus. Erfahrungen mit Eis und Schnee auf derGPS-Antenne liegen bei den eigenen Kalibrie-rungen nicht vor.

Tab. 3b: Differenzen der Typmittel einer Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne (TRM41249.00) mit Trimble Conical

Weather Dome (TCWD) bzw. ohne (NONE),Feldkalibrierung beim LVermA NRW auf relativem

Niveau

Abb. 14 Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne(TRM29659.00) mit Grundplatte auf Dreifuß

(Foto: Galitzki)

9.3 Tabelle 3c: Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne mit zweitem Dreifuß über Grundplatte im Radom

Auch die Veränderung des Abstandes zwi-schen Antenne und Grundplatte durch Monta-ge eines zusätzlichen Dreifußes im Radom(Abb. 15) hat einen signifikanten Einfluss aufdas Empfangsverhalten (Tab. 3c). Diesererhöhte Abstand von der Grundplatte wirkt aufden L1–Höhenoffset mit –3,61 mm und beimL2–Höhenoffset mit +6,73 mm. Die maxima-len Differenzen bei den PCV-Werten betragenca. 7 mm.

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Tab. 3c: Differenzen der Antennenparameter einerTrimble-Zephyr-Geodetic-Antenne (TRM41249.00TCWD) mit bzw. ohne Dreifuß über Grundplatte imRadom, Feldkalibrierung beim LVermA NRW auf

relativem Niveau

Abb. 15: Trimble-Zephyr-Geodetic-Antenne(TRM29659.00) mit zusätzlichem Dreifuß auf

Grundplatte, hier ohne Radom(Foto: Galitzki)

Fazit: Diese drei Untersuchungen (Tab. 3a bis3c) verdeutlichen, dass Veränderungen imNahfeld (Montage) der Antenne signifikanteAuswirkungen auf das Empfangsverhaltenhaben. Es stellte sich heraus, dass hierbei dieHöhenoffsets und auch die PCV-Werte bei L1und L2 Differenzen von mehreren Millimeternaufweisen. Bei Auswertungen mit der Linear-kombination L0 können sie Höhenfehler vonbis zu 2 cm zur Folge haben. Demgegenübersind die Lagekomponenten durch die unter-schiedliche Montage nicht signifikant beein-flusst. Die Betreiber von Referenzstationsnet-zen haben daher zwingend Sorge zu tragen,dass der Kalibrieraufbau mit dem Referenzsta-tionsaufbau übereinstimmt.

10 Wiederholung und Alterung derKalibrierergebnisse

10.1 Tabelle 4: Wiederholung der Anten-nenkalibrierung

Für eine Antenne Trimble microcenteredL1/L2 w gp (TRM 33429.00+GP, #445,Abb. 16) ergaben die beiden direkt zeitlichaufeinanderfolgenden Kalibrierungen, dass diePCO-Werte im Submillimeterbereich überein-stimmen und somit die Kalibriersituation andiesen Tagen ausreichend stabil war (Tab. 4).Die Feldkalibrierungen auf relativem Niveauliefen an den Tagen 346 bis 350 und 351 bis354 des Jahres 2000, jeweils über 4 x 24 Stun-den.

Tab. 4: Wiederholung der Kalibrierung einer Trimble-Microcentered-Antenne mit Grundplatte

(TRM33429.00+GP) im Jahr 2000 (Tage 346 und 351)Feldkalibrierung auf relativem Niveau

Abb. 16: Trimble-Microcentered-Antenne(TRM33429.00+GP) mit Grundplatte

(Foto: Galitzki)

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10.2 Tabelle 5:Alterung einer Trimble-Choke-Ring-Antenne

Es ist nicht auszuschließen, dass die Anten-nenparameter einiger GPS-Antennen sichlangfristig durch technische Alterung signifi-kant ändern. RTK-Feldantennen altern ver-mutlich stärker als Choke-Ring-Antennen(Wübbena et al. 2003a). Im Februar 2001 wur-de eine Trimble-Choke-Ring-Antenne beimLandesvermessungsamt NRW erstmals kali-briert. Diese Antenne wurde nach vier JahrenEinsatz auf einer SAPOS ®-Referenzstation imJanuar 2005 erneut unter vergleichbaren Be-dingungen kalibriert. Der Vergleich der Kali-brierwerte von 2001 und 2005 zeigt lediglicheine Änderung von max. -1,6 mm im L2-Ost-wert (Tab. 5). Berücksichtigt man, dass bei derwiederholten Kalibrierung die Differenzen imSubmillimeterbereich liegen, kann die Diffe-renz im L2-Ostwert zwar als signifikant be-zeichnet werden, jedoch ist hieraus noch nichtauf eine Veränderung der Empfangseigen-schaften durch technische Alterung zuschließen. Hierzu sind weitere, langjährigereKalibrierwiederholungen erforderlich.

Tab. 5: Alterung einer Trimble-Chokering-Antenne mitRadom (TRM29659.00 TCWD), Feldkalibrierung beim

LVermA NRW auf relativem Niveau imFebruar 2001 und Januar 2005

11 Zusammenfassung

Der Vergleich der Kalibrierergebnisse desLVermA NRW mit anderen Kalibrierstellenzeigt eine gute Übereinstimmung und bestätigtdie bisherige Vorgehensweise bei der Anten-nenkalibrierung des LVermA NRW. Sowohl dieRelativergebnisse als auch die Absolutergeb-nisse sind mit den entsprechenden Ergebnissen

anderer Stellen gleichwertig. Die Anforderun-gen nach Nr. 2.1.6 der GPS-Richtlinien NRW(Stand vom 23.09.2005) zur GPS-Antennen-kalibrierung werden voll erfüllt. Alle zur Zeiteingesetzten SAPOS ®-Referenzstationsanten-nen in NRW sind individuell kalibriert; sie wei-sen innerhalb ihrer Baugruppen eine hohe Fer-tigungstoleranz auf. Somit können auchSAPOS®-Nutzer mit hochpräzisen Anwendun-gen bedient werden. Dagegen reichen denSAPOS ®-Anwendern bei Katasterfort-führungsvermessungen die Typmittel für dieReferenzstationsantennen in NRW aus. DieErgebnisvergleiche haben bestätigt, dass dieAntennenmontagen vor Ort mit den entspre-chenden Kalibriermontagen übereinstimmenmüssen.

Die Antennenkalibrierungen werden auchkünftig beim LVermA NRW fortgeführt.Wesentliche Aspekte sind dabei die Untersu-chung zur möglichen technischen Alterungvon Antennen und zu verschiedenen Anten-nenmontagen. Eine messtechnisch wün-schenswerte Stationskalibrierung in situ ist fürdie Zukunft denkbar, jedoch bis heute wirt-schaftlich nicht realisierbar.

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Manfred SpataBernhard Galitzki

Klaus StrauchHeidrun Zacharias

Landesvermessungsamt NRWMuffendorfer Str. 19-21

53177 BonnE-Mail:

[email protected]@[email protected]

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