Geodesie/Mensuration

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Abb. 1: Systemaufbau MDS. Tab. 1: Technische Hauptmerkmale. glichen werden und bei Oberschreiten einer vordefinierten Toleranzschwelle auto- matisch eine Alarmmeldung ausgelost wird. Die Kommunikation zwischen Basissta- tion und Messstationen ist wie gesagt durch ein Funkmodem gewahrleistet. Wo keine Verbindung zum Elektrizitatsnetz vorhanden ist, wird jede Messstation mit einem Solarmodul und einem Akkumula- tor ausgerOstet. Diese Losung garantiert, dass Messwerte und Alarmmeldungen auch dann Obermittelt werden, wenn das Stromnetz aus irgendwelchem Grund ausser Betrieb ist. Solarmodul und Akkumulator werden so projektiert, dass die Messstation fOr lan- gere Zeit auch bei extremen Wetterbe- dingungen autonom arbeiten kann. Static Carrier Phase DGPS und Postprocessing Das beispielsweise in den Bereichen Na- wendete GPS-Messprinzip betrachtet im Wesentlichen die dem Satellitensignal aufmodulierten Informationen und liegt auch den meisten porta bien Low-Cost- Empfangern zugrunde. Leider ist die erreichbare Genauigkeit um ein Vielfaches zu schlecht, um damit eine sinnvolle Ober- wachung van Verschiebungen im Zenti- meter- oder Millimeterbereich zu errei- chen. In der Tat ist die Stand-alone Posi- tionsbestimmung mittels Code-Phase mit einem Fehler in der Grossenordnung van +/- 100 m behaftet; auch beim Einsatz van sogenannten Code Differential Tech- niken werden kaum Genauigkeiten van 20 cm erreicht. Um die Genauigkeit der Messungen bedeutend zu erhohen, wird das Konzept der Tragerphasenmessung eingesetzt. In diesen Fall werden nebst der dem Satelli- tensignal aufmodulierten Informationen zusatzlich die physischen Merkmale des Tragers selbst betrachtet. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, wird die Entfernung (Basislinie) zwischen lWei vigation und FlottenOberwachung ver- Abb 2: Messprinzip mit Tragerphase. Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik 7/2000 GeodasieNermessung- Empfangern bestimmt, indem der Pha- senunterschied zwischen den empfange- nen Signalen betrachtet wird (Abb. 2a). Somit werden mehrere Fehlerfaktoren ausgeschieden, die bei der normalen (0- de-Messung die Losungbehaften. Die mit der Tragerphasenmessung erreichbare theoretische Genauigkeit der Losungen betragt etwa 1/1000 der Wellenlange des Satellitensignals (7I.L 1 ,L2 = -19 cm). Nebst der Komponenten der Basislinie dX, dY und dZ ist eine der Unbekannten in der Berechnung die Anzahl der Phasen- zyklen des Signals zwischen jedem ein- zelnen Empfanger und jedem Satellit. Die- ser ganzzahlige Wert wird mit initial inte- ger ambiguity bezeichnet und bedarf zu seiner Bestimmung einer Betrachtungs- zeit des Tragerphasenverlaufs van einigen Minuten. Wurde eine erste statische Losung ge- funden, werden sich spatere, relative Be- wegungen zwischen zwei Empfangeran- tennen als Phasenverschiebungen zeigen. (Abb. 2b). Erreichte Resultate Mit den ersten Versuchen, die im Rahmen der Machbarkeitsstudie durchgefOhrt worden sind, konnten die erreichbare Ge- nauigkeit des Systems sowie die Beitrage der wichtigsten Fehlerquellen bestimmt werden. Ohne besondere Nachbearbeitung und ohne BerOcksichtigung der Satellitenkon- stellation zur Festlegung der gOnstigsten Messintervalle betragt die erreichte Ge- nauigkeit fOr eine Basislinie van 2-3 km
Geodesie/Mensuration zwischen 10-15 mm. Die wichtigsten Fehlerquellen und deren Beitrag am ge- samten Fehlerbudget sind in Abbildung 3 zu sehen. Die Genauigkeit yon GPS Messungen hangt generell yon folgenden Faktoren ab: .Bei langeren Basislinien (mehr als 10-20 km) wird der Einfluss yon Troposphare und lonosphare auf die Signalverbrei- tung bedeutend und muss sorgfaltig modelliert und betrachtet werden. FOr solche Anwendungsfalle werden vor- zugsweise Zweifrequenzempfanger (L 1 +L2) eingesetzt. In den typischen Anwendungsgebieten des MDS-Systems werden selten Basis- linien Ober 1-2 km Lange auftreten, 50- dass der Einfluss der Troposphare und lonosphare vernachlassigt werden kann. Aus diesem Grund konnen im MDS-System bedenkenlos Einfre- quenzempfanger (L 1) eingesetzt werden, welche weniger Strom verbrau- chen und wesentlich preiswerter sind. Somit tragen sie wesentlich dazu bei, die Kosten des Systems niedrig zu hal- ten. Auch die eingesetzten Antennen sind gegenOber der Zweifrequenzaus- fOhrung konstruktiv einfacher und daher preiswerter. .Die Stabilitat bzw. Genauigkeit der in- ternen Taktfrequenzquelle des Emp- fangers beeinflusst die Genauigkeit der Messungen. Der Einfluss dieser Fehler- quelle kann biszu einem gewissen Grad durch Verlangern der Messintervalle ausgeglichen werden. .Wahrend einer Messung beeinflusst die Sichtbarkeit und die Geometrie der benOtzten Satellitenkonstellation di- rekt ihre Qualitat. Da in vielen Anwen- dungsfallen der exakte Zeitpunkt einer Messung unwichtig ist, kann das MDS- System innert gewissen Grenzen autonom den besten Zeitpunk~ bestimmen. Dies wird durch die Basisstation vorge- nom men. Zu diesem Zweck werden die aktuellen Daten Ober die Umlaufbah- nen aller GPS-Satelliten (Ephemeriden) gesammelt und dazu benutzt, die gOns- tigsten Zeitpunkte fOr das Ein- und Aus- schalten der Messstationen im Voraus zu bestimmen. Da die VerfOgbarkeit van mehr Satelli- ten direkten Einfluss auf die zu erwar- tende Genauigkeit hat, kann der Ein- bezug alternativer Konstellationen (z.B. Glonass) durchaus sinnvoll sein, vor al- lem in Berggebieten mit eingeengtem Horizont. Entsprechende Empfanger sind erhaltlich und es ist eine Frage der Zeit und der Kosten, bevor auch dem MDS-System lWei Satellitensysteme zur VerfOgung stehen werden. .Die Variation des Phasenzentrums der GPS-Empfangsantennen ist konstrukti- onsbedingt und aussert sich darin, dass die Phasenmessungen van der Lage des Satelliten (Azimuth und Elevation) ab- hangen. MDS kompensiert den Einfluss dieses Faktors dadurch, dass intern per Software die rohen Phasenmessungen mittels einer dem Antennenmodell spe- zifischen Korrekturtabelle angepasst werden. Zusammenfassung und Ausbl ick Zusammenfassend kann gesagt werden, dass subzentimetergenaue Messungen auch mit Low-Cost-GPS-Empfangern er- reichbar sind. Dies kann erreicht werden durch Einsatz der differenziellen Trager- phasenmessung, in Verbindung mit einer geeigneten Software zur Nachbearbei- tung (Post-Processing) der rohen Messer- gebnisse. Bei der Nachbearbeitung kom- men u.a. auch Integration und spezielle Filter zum Einsatz. Eine Voraussetzung ist daher das Vorhandensein van rohen Messdaten in ausreichender Menge (min- destens 20 Minuten). Es folgt, dass das Mensuration, Photogrammetrie, Genie rural 7/2000 MDS als near real-time System bezeichnet werden kann. Obschon das MDS-System die Messresul- tate nicht in Echtzeit liefert, konnen die Reaktionszeiten in vielen Anwendungs- gebieten als genOgend kurz bewertet werden. FOr ein Netz van beispielsweise font Punkten (neun Basislinien) kann eine Losung aile 30-40 Minuten zur VerfO- gung gestellt werden. Die Einsatzmoglichkeiten van MDS sind vielfaltig und die Oberwachung van erd- rutschgefahrdeten Gebieten ist nur ein Beispiel. Auch z. B. im Bauwesen besteht ein Bedarf nach einfach zu bedienenden Systemen zur Oberwachung van Bewe- gungen im Millimeterbereich (BrOcken oder Damme, Gittermaste, einsturzge- fahrdete Bauten usw.). Die inharenten Vorteile des MDS Systems sind seine Installations- und Benutzer- freundlichkeit sowie die Fahigkeit zum au- ton omen und permanenten Betrieb auch bei schlechten Wetter- und Umweltver- haltnissen. Bibliographie: Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., & Collins, J. (1997). GPS Theory and Practice. Springer Verlag, Wien New York, fourth, revi- sed edition. Seeber, Gunter (1993). Satellite Geodesy. Foundations, Methods, and Applications. WaI- ter Gruyter, Berlin New York. Leick, Alfred (1995). GPS Satellite Surveying. John Wiley and Sons, Inc., New York Chi;. chester Brisbane Toronto Singapore, 2nd edition. PMos: A real time precise DGPS continuous de- formation monitoring system. Adam Lowry, Roderick McLeod, 1997. Luca Manetti Alfredo Knecht SUPSI-ICIMSI Istituto CIM della Svizzera italiana Galleria 2 CH-6928 Manno (Lugano) e-mail: aknecht@cimsi.cim.ch e-mail: Imanetti@cimsi.cim.ch http://www.dct.supsi.ch/frana/descri.htm
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