1/27/2015

1

Michael Dennis, RLS, PEOregon State University

National Geodetic Survey

Oregon GPS Users Group 2015 Annual MeetingJanuary 23, 2015  ● Salem, OregonSalem Convention Center

Achieving Great Height – with GNSS

The Fundamental Problem

What is “height”?

GNSS provides ellipsoid heights

• Purely geometric

• Not referenced to gravity

But we usually need physical heights

• Heights referenced to gravity

• E.g., to tell where water will go

heights matter!Physical

Heights are not merely fascinating… Heights are complicated!Heights to suit your every need (and mood)! Ellipsoid heights

• Referenced to different datums and datum realizations

Geoid heights• Gravimetric?  “Hybrid”?  Quasi‐geoid?

Physical heights• Orthometric heights

Helmert (NAVD 88), Niethammer, Mader, New Brunswick, etc.

• Dynamic heights• Normal heights• Normal orthometric heights (e.g., NGVD 29)• Leveled heights

1/27/2015

2

PB0630 ***********************************************************************PB0630 DESIGNATION - MARSHPB0630 PID - PB0630PB0630 STATE/COUNTY- OR/KLAMATHPB0630 COUNTRY - USPB0630 USGS QUAD - CHEMULT (1967)PB0630PB0630 *CURRENT SURVEY CONTROLPB0630 ______________________________________________________________________PB0630* NAD 83(1991) POSITION- 43 07 45.66845(N) 121 48 18.75991(W) ADJUSTED PB0630* NAVD 88 ORTHO HEIGHT - 1413.441 (meters) 4637.26 (feet) ADJUSTED PB0630 ______________________________________________________________________PB0630 LAPLACE CORR - 0.77 (seconds) DEFLEC12APB0630 GEOID HEIGHT - -21.65 (meters) GEOID12APB0630 DYNAMIC HEIGHT - 1412.660 (meters) 4634.70 (feet) COMPPB0630 MODELED GRAVITY - 980,018.2 (mgal) NAVD 88PB0630PB0630 HORZ ORDER - FIRSTPB0630 VERT ORDER - FIRST CLASS IIPB0630PB0630.The dynamic height is computed by dividing the NAVD 88PB0630.geopotential number by the normal gravity value computed on thePB0630.Geodetic Reference System of 1980 (GRS 80) ellipsoid at 45PB0630.degrees latitude (g = 980.6199 gals.).PB0630PB0630.The modeled gravity was interpolated from observed gravity values.

Physical heights: Orthometric and dynamicThe NGS Datasheet

= HD

= H

Ortho and dynamic heights not equal

H ≠ HD

e.g., 176.311 – 176.264 = 0.047 m

Rod 1

Rod 2

B

Backsight Foresight

F

Δn

SB

SSF

Setup of Leveling, Δn = B – F and S = SB + SF

Leveling is simple… right?

Leveled Height Differences

AC

B Topography

Physical heights related to gravity

**

g

CH

""gravityofvaluesome

energypotentialGravityheightPhysical

• C is the geopotential number [m2/s2]– Gravity potential energy relative to a reference potential– Reference gravity potential is usually the geoid

• H* is some type of physical height [m]– Type depends on type of gravity value used for g* [m/s2]

• Why?– To get unique andmeaningful heights

1/27/2015

3

No gravity, no height.Know gravity,

know height.

The ellipsoid, the geoid, and you

Earth surface

Orthometric height, H

Geoid height, NG

Ellipsoid height, h

Deflection of the vertical

Mean sea level

h ≈ H + NG

Note: Geoid height is negative everywhere in the coterminous US

h = H + NG

You are here

GEOID09 (CONUS) GEOID09 (CONUS)

1/27/2015

4

GEOID09 (CONUS) GEOID09 (CONUS)

“Geoid model?  We don’t need no stinkin’ geoid model!”

1/27/2015

5

It doesn’t matter which geoid model you use

1/27/2015

6

GNSS Computation Flowchart

Baseφb, λb, hb

Base

Rover

Convertto ECEF

ConvertfromECEF

(user inputcoordinates)

φ, λ

hXb , Yb , Zb

X, Y, Zφ’, λ’

N, E

h’

“Map projection”

N’, E’

Datum transformation(if necessary)

Grid translation,rotation, & scaling

(not recommended)

H

“Geoid model”

H’Vertical shift, inclinedplanar correction, and/orother vertical transformation(often unavoidable)

Earth-Centered Earth-Fixed Cartesian Coordinates

Small residualsdo not guarantee

good results!

GNSS‐derived ortho height tips

Be consistent with NAD 83 and hybrid geoid• Use NAD 83 (2011) with GEOID12A• Use NAD 83 (2007) with GEOID09• Use NAD 83 control consistent with earlier models

Reference vertical CONTROL• Tie to published NGS vertical control stations

Leveled NAVD 88 (NOT VERTCON)  For GNSS‐derived, ONLY use Height Mod

• Use relative accuracy of hybrid geoid (1‐2 ppm)• Avoid using geoid by itself (e.g., OPUS ortho heights)

GEOID12A accuracy in CONUS 4‐9 cm (0.1‐0.3 ft), 95% conf.

GNSS‐derived ortho height tips

Vertical calibration/localization: be careful! Single point calibration/localization:

• Check into other vertical control

Multiple point:• Small residuals do NOT guarantee good results!• Slope of correction surface < 5 ppm (1 arc‐sec)• If no geoid model, slope ≈ geoid slope

If > 100 ppm, something is probably wrong

Network adjustments• Depends on software used• Usually adjust ellipsoid and ortho heights separately

1/27/2015

7

What is “Height Modernization”?

Height Modernization is an NGS program• Improve access to accurate, reliable, consistent “heights”

• Focus usually on GNSS‐derived orthometric heights

Done with campaign‐style GNSS surveys

Occupy bench marks with accurate leveled ortho heights

Perform network adjustment to get ortho heights 

Constrained to leveled heights using hybrid geoid model

• Height Mod more than just GNSS‐derived ortho heights

Also includes leveling projects, GRAV‐D Project, and research

Additional information and associated documents• Height Mod website:  www.ngs.noaa.gov/heightmod/

• Guidelines for GNSS‐derived ellipsoid and orthometric heights

What is a “Height Mod” survey?

A way to get accurate “elevations” with GNSS• “Elevations” are orthometric heights (usually NAVD 88)

• Requires ties to leveled bench marks (at least indirectly)

Over 13,000 “Height Mod” stations in NGS database• Stations with GNSS‐derived ortho heights published to cm

Determined in accordance with NGS 58 and 59 guidelines

• A leveled bench mark is not considered a Height Mod mark

Plus  ~26,000 GPS bench marks (for GEOID12A)• An essential part of Height Mod surveys

• Typically tied as part of Height Mod surveys

• Required to make “hybrid” geoid (NAVD 88 datum surface)

“Height Mod” stations “Height Mod” stations

1/27/2015

8

“Height Mod” stations Height Modernization originsHeight Mod Study Report to Congress (June 1998) GPS a viable means to determine 

accurate heights (to 2 cm) Cost savings from 25% to > 90% 

when compared to conventional methods

Cost savings greatest for distances > 4 km between control marks

Estimated benefits > $12 billion A reliable, consistent vertical datum 

is essential (including an accurate hybrid geoid model)

Guidelines are needed to promote best practices and ensure high‐quality results

Height Modernization guidelines

NOS NGS 58GPS‐derived ellipsoidheights(November 1997)

NOS NGS 59GPS‐derived orthometricheights(March 2008)

Factors to evaluate include:• Distance to passive & active control

• Number of simultaneous GPS occupations

• Occupation duration and data logging rate

• Number of multiple occupations and time between them

• Strategies and software for processing and adjustment 

• Effects of multipath, signal propagation, antenna calibrations• Viability of real‐time data (both single‐base and network)

• Effect of GLONASS observables on results

• Impact of network design (including “trivial” vectors)

Objective:  Improve speed and reliability of obtaining orthometric heights with GNSS

A new & improved  NGS 58/59

1/27/2015

9

2013 project (Florida and South Carolina)• Fieldwork

Gustin, Cothern & Tucker, Inc. (GCT) and NGS

South Carolina Geodetic Survey (SCGS)

• Data Analysis:  Ohio State University (OSU)

• All data collected, organized, and submitted for analysis• Two phases

Phase 1:  Vertical Precision (Florida)

Phase 2:  GPS Bench Marks (South Carolina)

2014 project (Oregon)• Data collection and analysis by Oregon State University

• Fieldwork completed, analysis underway

Two NGS‐58/59 update projects How “Height Mod” surveys performed

Need identified for vertical control in an area

Perform research on available NAVD 88 control

Must have ties to valid vertical control• Published to nearest mm or cm (usually leveled)

• Can use existing Height Mod stations as vertical control

• VERTCON‐ and GNSS‐derived airport control typically NOT valid

Perform in accordance with NGS 58/59 guidelines• Three 5‐hr occupations for baselines > ~20 km

Minimum 30‐minute sessions permitted for shorter baselines

• Simultaneous (session) GNSS processing required (sort of)

• Vector ties between adjacent stations required (also sort of)

• For “Bluebooking” must use ADJUST for network adjustment

Opinions about “Bluebooking” vary…

Friends …don’t let friends …

Bluebook

I’d rather beWhat is “Bluebooking” anyway?

The NGS “Bluebook” is a set of data formats• For electronic transfer of geodetic data to NGS database

• Defined by NGS through Federal Geographic Data Committee

• So “Bluebooking” is just putting data into specified formats

A means for our customers to help build the NSRS• Users get the control they want, where they want it

• NGS gets data for small fraction of total cost of performing work

• Great example of Fed, local gov’t, and private cooperation

“Bluebooking” now viewed as much more than formats• Standards & specifications for performing control work

• Helps ensure high‐quality data and results

• But needs to be streamlined to improve efficiency, reduce cost

1/27/2015

10

The Bluebooking Path

Requires specific software• ADJUST program suite REQUIRED

• WinDesc program REQUIRED to create and descriptions

• No specific GNSS baseline processing software required• GIS GPS Toolset:  Display and analysis of ADJUST results

Run using Esri ArcGIS software (ArcMap and ArcToolbox)

OPUS‐Projects (OP)• Performs GPS baseline processing online (using PAGES)• Creates the files used by ADJUST• Goal is for OPUS‐Projects to make overall Bluebooking simpler

Longer term goal is to “Re‐invent” Bluebooking (by 2018)• In interim will continue to refine and streamline existing process

National Height Mod vertical adjustment

2011 national adjustment of passive control• Orthometric heights (“elevations”) NOT determined

• GNSS‐derived ortho heights based on mix of NAD 83 and geoid models 

• More consistent if all are based on NAD 83(2011) and GEOID12A

Nationwide “Height Mod” vertical adjustment• NAD 83(2011) ellipsoid heights, GEOID12A, and national GNSS network

• Constrain to leveled NAVD 88 bench marks

• Determine GNSS‐derived NAVD 88 heights on non‐leveled marks

• Estimate accuracies on GNSS‐derived ortho heights

• Results will be used as part of study to update/replace NGS 58/59

• Likely will greatly increase number of Height Mod stations

• Will require significant analysis and computation

Similar project performed in Arizona (completed in 2010)• Used GEOID09 with NAD 83(2007) ellipsoid heights

• Significant changes in ortho heights; more consistent results statewide

Results Results

10 cm

1/27/2015

11

Height Mod adjustment sequence

Typically 4 adjustments performed1. Minimally constrained (“free”) geometric

Constrain single mark 3‐D

Internal integrity (mainly vector residuals)

2. Geometrically (“horizontally”) constrained Constrain multiple mark 3‐D, 2‐D, or 1‐D (ellipsoid ht)

3. Minimally constrained (“free”) vertical Constrain orthometric height for single mark

Hybrid geoid model used to transfer ortho heights

4. Vertically constrained Constrain vertical control 1‐D (orthometric height)

Why do OP and ADJUST results differ? 

OP does not adjust both ellipsoid and ortho heights• OP always uses relationship h = H + N

OP uses different sigmas on constraints• Sigmas in XYZ rotated to NEU without covariances• Passive mark sigmas from OPUS peak‐to‐peak

ADJUST scales horizontal and vertical errors separately ADJUST multiplies final sigmas by std dev unit weight

• Not sure if OP does or not…

OP adjusted observables are double differences• ADJUST adjusted observables are GPS vector components• But should this cause a difference?

Additional things to think about

Where is NGS going with all this? How do you analyze OPUS‐Projects results?

• There are no vector residuals to analyze• There are no vectors to reject

Dependent (“trivial”) vectors Impact of network design on OP results Impact of OP session processing constraints on gfile

Bluebooking with commercial GNSS baseline processing software

Wrap‐up

Height Modernization Program• Enables efficiently obtaining accurate heights

• Combinws GNSS, geoid modeling, and traditional leveling

Height Modernization surveys• Augment and densify height control with user‐contributed data

• Refine and streamline submittal process (“re‐invent” Bluebooking)

New height‐determination standards (“guidelines”)• Update and replace existing NGS 58/59 with modern standards

• Analsys currently underway on two projects

A national Height Mod vertical adjustment• Obtain consistent GNSS‐derived ortho heights nationwide

Objective: Move Height Mod into the future…

1/27/2015

12

NAVD 88 to new vertical datumEstimated as NAVD 88 "zero" (datum) surface minus NGS gravimetric geoid

Orthometric height change (meters)

Questions?Achieving Great Height

– with GNSS