PPK – Post-Processing Kinematic für Drohnenvermessung

Was ist PPK? Definition und Abgrenzung

Post-Processing Kinematic (PPK) ist ein GNSS-Auswerteverfahren, bei dem eine Drohne während des Fluges rohe Satellitenmessdaten aufzeichnet – sogenannte Trägerphasenbeobachtungen – und diese Daten erst nach dem Flug zusammen mit den gleichzeitigen Aufzeichnungen einer Basisstation ausgewertet werden. Das Ergebnis sind zentimetergenaue Positionen für jeden aufgenommenen Bildpunkt.

PPK ist der direkte Bruder von RTK (Real Time Kinematic). Der Hauptunterschied: Bei RTK werden die Korrekturdaten der Basisstation per Funk oder Mobilfunk in Echtzeit zur Drohne übertragen und sofort verarbeitet. Bei PPK werden die Rohdaten beider Empfänger (Drohne + Basisstation) erst am Boden in eine Auswertesoftware geladen. Das macht PPK unabhängig von Funkverbindungen und Mobilfunkabdeckung.

In der Drohnen-Photogrammetrie erfüllt PPK dieselbe Aufgabe wie RTK: Es liefert hoch genaue, georeferenzierte Kamerapositionen, die in der Photogrammetrie-Software (Agisoft Metashape, Pix4D, DJI Terra) als Kontrollpunkte dienen. Das Ergebnis ist ein zentimetergenau geeordetes Orthofoto, Höhenmodell oder 3D-Modell – ohne dass am Boden Passpunkte eingemessen werden müssen.

Technisches Prinzip: GNSS-Trägerphasenmessung und Doppeldifferenz

Das Herzstück von PPK ist die GNSS-Trägerphasenmessung. Normale GPS-Empfänger messen die Laufzeit des Codesignals (Pseudoranges) – genau genug für Navigation (3–10 m), aber zu ungenau für Vermessung. Hochpräzise Empfänger messen zusätzlich die Phase der Trägerwelle selbst. Das GPS-L1-Signal hat eine Wellenlänge von ca. 19 cm – gemessen auf den Bruchteil dieser Wellenlänge ergibt das Millimeter-Auflösung.

Die rohe Trägerphasenmessung lautet:

Φ = ρ/λ − (c · δt_r)/λ + (c · δt_s)/λ − I/λ + T/λ + N + ε

Dabei sind: ρ = geometrische Distanz Satellit–Empfänger, λ = Wellenlänge des Trägersignals, δt_r und δt_s = Uhrenoffsets von Empfänger und Satellit, I = ionosphärische Verzögerung, T = troposphärische Verzögerung, N = ganzzahlige Phasenmehrdeutigkeit (Integer Ambiguity) und ε = Messrauschen.

Das zentrale Problem: N (die Integer Ambiguity) ist zunächst unbekannt. Die Software muss herausfinden, wie viele vollständige Wellenlängen zwischen Satellit und Empfänger liegen. Genau das ist die Kernaufgabe der PPK-Auswertung.

Durch die sogenannte Doppeldifferenzbildung (Double Differencing) zwischen zwei Empfängern und zwei Satelliten gleichzeitig fallen nahezu alle Fehlerquellen heraus: Uhrenoffsets beider Empfänger, Satellitenuhrenfehler, ionosphärische Einflüsse (bei kurzer Basislinie) und troposphärische Einflüsse. Es verbleibt im Wesentlichen:

∇∆Φ = ∇∆ρ/λ + ∇∆N + ∇∆ε

Hat die Software die Doppeldifferenz-Mehrdeutigkeiten ∇∆N als ganze Zahlen gelöst (sogenannte „Ambiguity Resolution" mit Fix-Lösung), ergibt sich die Position des Rovers (Drohne) auf 1–3 cm genau. Wenn die Mehrdeutigkeit nicht exakt als ganze Zahl gelöst werden kann (Float-Lösung), verschlechtert sich die Genauigkeit auf 10–30 cm.

Qualitätsmerkmal PPK-Ergebnis: Ein Fix-Ratio von ≥ 95 % gilt als verlässliche Lösung. Ein PDOP (Position Dilution of Precision) < 2 und ein RMS-Restfehler < 2 cm zeigen eine hochwertige PPK-Auswertung an.

PPK vs. RTK vs. GCP: Der direkte Vergleich

Alle drei Methoden erreichen bei guter Ausführung ähnliche absolute Genauigkeiten von 1–3 cm horizontal. Der Unterschied liegt im Workflow, den Anforderungen und den Kosten:

Welche Drohnen unterstützen PPK?

Nicht jede Drohne unterstützt PPK. Voraussetzung ist ein GNSS-Empfänger, der rohe Trägerphasenbeobachtungen (Raw Observations) aufzeichnen und exportieren kann. Einfache GPS-Chips in Consumer-Drohnen geben nur verarbeitete Positionen aus – kein PPK möglich. Folgende Systeme sind für PPK bekannt und praxiserprobt:

Basisstationen für PPK: SAPOS, eigene Station und CORS-Netze

Für PPK benötigen Sie neben dem fliegenden GNSS-Rover (Drohne) eine stationäre Basisstation, die während des gesamten Fluges Rohdaten aufzeichnet. Die Basislinie zwischen Station und Drohne sollte unter 30 km bleiben, um ionosphärische Modellierungsfehler zu minimieren.

Option 1 – Eigene tragbare Basisstation: Geräte wie der Emlid Reach RS3 (ca. €1.390) oder der Trimble R10/R12 können als temporäre Basisstation aufgestellt werden. Die Station wird auf einem bekannten Punkt oder einem eingemessenen Standpunkt aufgebaut, logt während des Fluges Rohdaten und die Logs werden danach gemeinsam mit den Drohnen-Logs verarbeitet. Vorteil: vollständige Kontrolle, keine laufenden Kosten, überall einsetzbar.

Option 2 – SAPOS (Deutschland): Das Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Vermessungsverwaltungen wird von den Landesvermessungsämtern gemeinsam mit dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) betrieben. Über 270 permanente CORS-Stationen (Continuously Operating Reference Stations) sind bundesweit verfügbar. Für PPK können archivierte RINEX-Rohdaten der nächstgelegenen SAPOS-Station über das Datenportal bezogen werden. Die Daten sind in der Regel kostenpflichtig (Jahresabonnement oder Einzelabruf je nach Bundesland) und im RINEX 3.x-Format erhältlich.

Option 3 – Internationale CORS-Netze: In Österreich betreibt das BEV (Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen) das APOS-Netz, in der Schweiz swisstopo das swipos-NAP/NAV-Netz. Beide bieten ebenfalls archivierte RINEX-Daten für PPK. Darüber hinaus sind IGS-Stationen (International GNSS Service) kostenlos verfügbar – für Projekte in Europa in der Regel aber zu weit entfernt für optimale PPK-Basislängen.

Praxishinweis zur Basislinie: Die Genauigkeitsdegradierung durch ionosphärische Residuen beträgt ca. 1 ppm (1 cm pro 10 km Basislänge). Bei einer Basislinie von 10 km ist mit < 1 cm Fehleranteil zu rechnen. Bis 30 km bleibt die Gesamtgenauigkeit für die meisten Vermessungsaufgaben ausreichend. Über 50 km empfehlen sich ionosphärische Modellkorrekturen oder Multi-Baseline-Auswertung.

PPK-Workflow Schritt für Schritt

Ein vollständiger PPK-Workflow besteht aus sieben Phasen, von der Missionsvorbereitung bis zur Integration der korrigierten Positionen in die Photogrammetrie-Software:

1. 01

   Vorflugvorbereitung

   GNSS-Aufzeichnung auf Drohne aktivieren (Raw-Log-Modus). Eigene Basisstation aufstellen oder SAPOS-Station identifizieren. Sicherstellen, dass Basisstation und Drohne dieselben GNSS-Systeme und Frequenzen nutzen (z. B. GPS L1/L2 + GLONASS). Missionsziel und GSD planen. Mindestens 10 Satelliten mit PDOP < 2 abwarten.

2. 02

   Synchrones Logging starten

   Basisstation muss VOR dem ersten Drohnenstart mit der Aufzeichnung beginnen und NACH dem letzten Drohnennstart enden. Zeitüberschneidung ist kritisch – mindestens 5 Minuten vor und nach dem Flug loggen, damit die Ambiguity-Initialisierung genügend Daten hat.

3. 03

   Drohnenflug

   Fotomission durchführen wie geplant. Die Drohne zeichnet automatisch im Hintergrund GNSS-Rohdaten auf. Bei PPK-fähigen DJI-Drohnen (Phantom 4 RTK) speichert das System die Rohdaten auf der Speicherkarte. Sicherstellen, dass die Drohne keine GNSS-Signalunterbrechungen durch Gebäude hat – diese verhindern die Ambiguity-Lösung.

4. 04

   Logs einsammeln

   Nach dem Flug: Rover-Log von der Drohne (UBX oder RINEX-Format). Basis-Log von der eigenen Station oder RINEX-Download von SAPOS. Darauf achten, dass beide Logs den gleichen Zeitraum vollständig abdecken. Zeitabgleich: Moderne Empfänger nutzen GPS-Zeit (kohärent) – keine manuelle Synchronisierung nötig.

5. 05

   PPK-Auswertung in Software

   Emlid Studio: Rover-Log und Basis-Log importieren, Koordinatensystem definieren (z. B. ETRS89/UTM Zone 32N für Deutschland), PPK-Lösung berechnen. Ergebnis: Jede Drohnenposition wird mit cm-Genauigkeit und einem Qualitäts-Flag (Fix/Float/Single) ausgegeben. Fix-Ratio prüfen: Wert unter 90 % ist ein Warnsignal – Ursache analysieren (zu lange Basislinie, schlechte Satellitengeometrie, Abschattung).

6. 06

   Qualitätsprüfung

   Exportierte Trajektorie prüfen: Alle Kameraauslösepunkte müssen mit „Fix"-Status markiert sein. RMS der PPK-Lösung prüfen: < 2 cm horizontal, < 3 cm vertikal ist ausreichend gut. Falls Float-Punkte vorhanden: Prüfen, ob GCP-Punkte als Fallback sinnvoll sind.

7. 07

   Import in Photogrammetrie-Software

   Korrigierte Kamerastationen (CSV oder geotag-Datei) in Agisoft Metashape, Pix4Dmapper oder DJI Terra importieren. Software verarbeitet die Positionen als Grundlage der Bundle-Adjustment-Ausgleichung. Ergebnis: Georeferenziertes Orthofoto, Punktwolke und Höhenmodell mit ±2–3 cm absoluter Lagegenauigkeit.

PPK-Auswertesoftware im Überblick

Die Auswertung der PPK-Rohdaten ist ein separater Prozess vor der eigentlichen Photogrammetrie. Folgende Software ist praxiserprobt:

Emlid Studio (kostenlos): Die benutzerfreundlichste Option. Läuft auf Windows, macOS und Ubuntu. Eingabe: RINEX oder UBX-Dateien von Rover und Basis. Ausgang: Kamera-Positionsdatei mit Fix/Float/Single-Flags. Unterstützt alle gängigen GNSS-Systeme und Frequenzen. Sehr gut geeignet für Einsteiger und Projekte mit Emlid-Hardware.

RTKLIB (kostenlos, Open Source): Entwickelt von Tomoji Takasu (früher Tokyo University of Marine Science and Technology). Leistungsstärkstes und flexibelstes Tool, aber komplexere Bedienung. Module: RTKPOST für Offline-PPK, RTKNAVI für Echtzeit. Unterstützt alle GNSS-Systeme. Besonders geeignet für fortgeschrittene Anwender, die volle Parameterkontrolle brauchen.

Agisoft Metashape (ab €179/Jahr): Kann PPK-Positionen direkt verarbeiten, ohne separates PPK-Tool – wenn die Rohdaten im internen DJI-Format oder als importierbare CSV-Datei vorliegen. Ideal für nahtlosen Workflow in einem Tool.

Pix4D (SaaS, ab €350/Monat): Unterstützt Import von PPK-Kamerapositionsdateien nativ. Guter Workflow für DJI Phantom 4 RTK und WingtraOne.

DJI Terra (Freemium): Verarbeitet PPK-Daten für DJI-Drohnen nativ. Erzeugt Orthofotos und Punktwolken direkt aus PPK-Daten. Eingeschränkt auf DJI-Ökosystem.

Wann lohnt sich PPK? Die Entscheidungshilfe

Die Wahl zwischen PPK, RTK und GCP hängt stark vom Einsatzszenario ab. Diese Faustregeln helfen bei der Entscheidung:

PPK ist die beste Wahl, wenn: (1) Das Projektgebiet keine zuverlässige 4G/LTE-Abdeckung hat oder zu weit von SAPOS-NTRIP-Zugangspunkten entfernt liegt. (2) Große Flächen (> 20 ha) in einem Flug abgedeckt werden sollen, bei denen eine Funklösung für RTK nicht ausreicht. (3) Mehrere Drohnen gleichzeitig fliegen sollen – eine Basisstation versorgt alle per PPK. (4) Die Flugplanung zeigt Hindernisse, die kurzfristig den RTK-Fix unterbrechen könnten (dichte Bebauung, Bäume).

RTK ist vorzuziehen, wenn: (1) Sofortige Ergebnisse vor Ort gebraucht werden (z. B. Qualitätskontrolle direkt nach dem Flug). (2) Zuverlässige 4G-Abdeckung im Gebiet vorhanden ist. (3) Einzelne Objekte (ein Gebäude, ein Dach) schnell dokumentiert werden sollen.

GCP bleibt sinnvoll, wenn: (1) Die höchste erreichbare Genauigkeit (< 1 cm) gefragt ist – GCP mit manueller Einmessung durch Tachymeter übersteigt PPK-Genauigkeit in Sonderfällen. (2) Keine PPK-fähige Drohne vorhanden ist. (3) Kleine Projektflächen (< 2 ha), bei denen der GCP-Aufwand verhältnismäßig gering ist.

Ein häufiger Fehler: PPK als Ersatz für GCP-Checkpoints zu behandeln. PPK liefert hoch genaue Kamerapositionen – aber keine unabhängige Qualitätsprüfung des Ergebnisses. Für anspruchsvolle Projekte (z. B. Bauvermessung nach VOB, Lagevermessung für Baugenehmigungen) empfehlen Fachleute, auch bei PPK mindestens 3 unabhängige Check-Points einzumessen und nach der Photogrammetrie-Auswertung zu kontrollieren.

Häufig gestellte Fragen