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Präzise und echtzeitnahe Positionierung in einem Mixmode-GPS-Netz mit großen Höhenunterschieden

Drescher, Ralf:
Präzise und echtzeitnahe Positionierung in einem Mixmode-GPS-Netz mit großen Höhenunterschieden.
Schriftenreihe Fachrichtung Geodäsie der TU Darmstadt (38). Darmstadt . ISBN 978-3-935631-27-3
[Book], (2013)

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Item Type: Book
Title: Präzise und echtzeitnahe Positionierung in einem Mixmode-GPS-Netz mit großen Höhenunterschieden
Language: German
Abstract:

Im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Projektes Exupéry wurde ein mobiles Vulkan-Frühwarnsystem entwickelt, das den Vulkanzustand auf Grundlage verschiedenster, sowohl boden- als auch satellitengestützer, Beobachtungsverfahren echtzeitnah überwacht. Als Beitrag zu diesem Frühwarnsystem wurde in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz zur echtzeitnahen Positionierung auf Grundlage eines Mixmode-GPS-Netzes und den Methoden von Netz-RTK realisiert. Zur punktuellen Messung der Vulkandeformation werden preisgünstige Einfrequenz-Roverstationen im Überwachungsgebiet installiert. Die Zweifrequenz-Referenzstationen hingegen befinden sich außerhalb des Risikogebietes. Sie definieren einen stabilen Referenzrahmen und ermöglichen außerdem die Berechnung von ionosphärischen und troposphärischen Korrekturen. Diese werden für die Roverstationen interpoliert, an ihre Beobachtungen angebracht und anschließend werden die Roverpositionen berechnet. Der eben skizzierte Ansatz wurde zunächst theoretisch erarbeitet. Dazu wurden sowohl die allgemeinen Probleme von Netz-RTK behandelt als auch die Besonderheiten von preisgünstigen Einfrequenzempfängern berücksichtigt. Anschließend wurde das theoretische Konzept durch die Auswahl geeigneter Einfrequenzsensoren sowie die Implementierung von umfangreicher GPS-Auswertesoftware verwirklicht. In dem Mixmode-GPS-Netz zum Zwecke der Vulkanüberwachung entsteht eine spezielle Stationskonstellation. Während die Referenzstationen das Einsatzgebiet auf einem weitgehend einheitlichen Höhenniveau umschließen, befinden sich die Roverstationen teilweise auf deutlich größerer Höhe. Es wurde ein Realdatensatz erfasst, der diese spezielle Konstellation simuliert. Anhand seiner Auswertung und Analyse wurde untersucht, inwieweit die troposphärischen Korrekturen, die durch eine ausschließlich lageabhängige Interpolation entstehen, unter dieser Konstellation leiden. Dabei wurde festgestellt, dass es zu einem erheblichen Bias in der berechneten Roverhöhe kommen kann, falls diese deutlich vom Höhenniveau des Referenzstationsnetzes abweicht. Ursache hierfür ist eine a-priori-Troposphärenkorrektur bzw. a-priori-Luftfeuchte, die stark von der Realität abweicht. Es werden Maßnahmen aufgezeigt, wie dieses Problem erkannt und vermieden werden kann. Letztlich konnten die Koordinaten der Einfrequenz-Roverstationen in 10-minütigen Sessionen mit einer Genauigkeit von besser als 1 cm in der Lage sowie von 1 bis 2 cm in der Höhe bestimmt werden. Die Verwendbarkeit von interpolierten Ionosphärenkorrekturen wurde von (Janssen, 2003) ausführlich untersucht. Er zeigte, dass in Äquatornähe und unter extremen ionosphärischen Bedingungen bereits bei einem geringen Referenzstationsabstand damit gerechnet werden muss, dass die Interpolation der Ionosphärenkorrekturen scheitert. Der im Rahmen dieser Arbeit realisierte Ansatz ist jedoch nur eine Komponente des Vulkan-Frühwarnsystems. In den Zeiträumen, für die kein GPS-Positionierungsergebnis guter Qualität zustande kommt, müssen und können die anderen Sensoren und Verfahren diesen Ausfall kompensieren. Das ist der große Vorteil eines Multi-Sensorkonzeptes. Darüber hinaus ist der realisierte Ansatz in Zonen und Zeiten moderat aktiver Ionosphäre selbstverständlich auch außerhalb des Vulkan-Frühwarnsystems als eigenständiges Deformationsmesssystem einsetzbar, z.B. zur Überwachung von Hangrutschungszonen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Within the framework of the GEOTECHNOLOGIEN project Exupéry, a mobile Volcano Fast Response System was developed. It monitors the state of the volcano activity in near real time by the use of terrestrial and satellite based observation techniques. As contribution to this early warning system, a near real time positioning approach based on a mixed-mode GPS network and the methods of network RTK was implemented. Low cost, single frequency rover stations are mounted within the monitoring zone to selectively measure the volcano deformation. The dual frequency reference stations however are located outside of the monitoring zone. They define a stable reference frame and enable moreover the computation of ionospheric and tropospheric network corrections. Those corrections are interpolated for the rover stations, added to their observations and afterwards the rover positions are computed. The thesis starts with a thorough description of the outlined approach. The general problems of network RTK as well as the particularities of low cost, single frequency receivers are covered. Afterwards the theoretical concept is realized by the selection of proper single frequency sensors and the implementation of extensive GPS processing software. In the monitoring network a special station configuration arise. Whereas the reference stations surround the monitoring area at a nearly equal altitude level, the rover stations partially have considerably higher altitudes. This special configuration was simulated by the observation of a GPS data set. On the basis of its processing and analysis it is investigated to which extent the tropospheric corrections suffer from this configuration, as they are interpolated purely dependent on the horizontal position. It was shown that this configuration has the potential to affect the estimated altitude of the rover stations. If the altitude differs clearly from the network level, its estimate can differ considerably from its true value. This height bias is caused by an a priori troposphere correction or more precisely by a supposed humidity which differs too much from the real one. Procedures to recognize and to avoid this problem are introduced. Finally the coordinates of the rover stations, estimated from sessions covering ten minutes of observation data, are better than 1 cm horizontally and the vertical accuracy is in the range of 1 to 2 cm. (Janssen, 2003) investigated the usability of interpolated ionospheric corrections in detail. He showed that in equator regions and on extreme ionospheric conditions the interpolation can already fail within a small reference station network. The implemented approach however is only one component of the Volcano Fast Response System. When it is not possible to get a GPS position of sufficient quality the other techniques and sensors are able to compensate this failure. Moreover the implemented approach can be used on moderate ionospheric conditions as a stand-alone deformation monitoring system.English
Series Name: Schriftenreihe Fachrichtung Geodäsie der TU Darmstadt
Number: 38
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: GPS Positionierung Einfrequenzempfänger low-cost Deformationsmessung Netz-RTK FKP
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Geodesy > Physical and Satellite Geodesy
Date Deposited: 02 May 2013 07:20
Last Modified: 02 May 2013 07:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33268
Referees: Becker, Prof. Dr. Matthias and Eichhorn, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 22 October 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3326
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