06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Setting-up of GPS reference stations and investigating the effects of antenna radome(2003) Ogonda, Godfrey OnyangoWith the shutting down of Selective Availability (S/A) in year 2000 , accuracies as better as 5 to 9 metres in the horizontal and 8 to 9 metres in the vertical have been guaranteed in GPS positioning using code measurements in Single Point Positioning (SPP) mode. Although the accuracies attainable through unassisted SPP are sufficient for most applications such as navigation, GIS and recreation, a whole range of experience has shown that millimetre accuracies can be attained through performance of GPS surveys using enhanced satellite systems, improved equipment and streamlined field procedures. Such concepts include the tendency to use reference stations (i.e. relative Positioning) to generate DGPS corrections and maintenance of reference frames. The precisions and accuracies at which the reference stations are established and monitored are very high. All the possible sources of error to which the antennas and receivers at the site are susceptible to, must be identified and minimised or eliminated. This include Phase Centre Variation (PCV) and multipath. To protect the antennas from bad weather and vandalism, reference station antennas are usually covered. The PCV patterns are further complicated from the fact that addition of antenna covers (radomes) are known to have effects on the positions and the existence of several correction models. In this study, two reference stations were established and an investigation on the effect of conical radome on one of the reference stations was carried out. A baseline of about 5 metres was set-up on top of the building housing the Institute of Navigation on Breitscheid 2. At one end of the baseline was station 1, mounted with a choke ring antenna, and the other end station 2, mounted with a compact L1/L2 antenna. Twenty four hour GPS observations at a data rate of 2 seconds were carried out in six consecutive days. The antenna setting for every two days was the same. Part of the data files collected on day 1 was used to fix the positions of the two reference stations with respect to the SAPOS network. A further analysis was done with the six day data files to determine the effect of the radome and the radome mount plate on station 1. The solutions obtained show that the reference stations were successfully established and that the conical radome has a negligible effect of about 1.5 mm on the height component of station 1.Item Open Access Maintenance strategies for large offshore wind farms(2012) Scheu, MattiWhich equipment is needed and how shall tasks be scheduled in order to implement the economically most efficient operation and maintenance strategy for large offshore wind farms? This is the question motivating this research project. Considering production losses due to turbine downtime as well as local geographical and weather conditions, an efficient operation and maintenance (O&M) solution shall be achieved for two reference sites at the UK east coast. For this purpose, a Matlab-based tool has been developed, consisting of the following five main modules: Weather, Failures, Resources, Strategy and Cost. The "Weather" module is able to generate future sea states and wind speeds based on historical data. It uses a finite state Markov chain in discrete time to model significant wave heights. Wind speeds are then generated according to their conditional probability distribution at the corresponding wave height. In order to validate the weather module, several time series were generated and compared with existing data. For comparison, the mean values, standard errors, linear correlations and cumulative distribution functions for persistence of operational weather windows were chosen, both for synthetic and observed wind speed and wave height time series. Both reference sites in the UK North Sea were considered for validation. Failure rates are the basis for the "Failure" module. As an input, data gathered from onshore reliability investigations are used, which can be updated once more detailed data is available for offshore turbines. The outcomes of this module are turbine-failures occurring at a certain time. Within the “Resources” module, it is defined which equipment and personnel is available for O&M activities. The equipment is specified by its technical characteristics, e.g., the maximum transportable personnel and the operational wave height boundary. Another key parameter is the "Strategy". The main goal of this module is to take the decision whether to perform an operation or not. Within this thesis, one specific strategy has been used, but references are made to possible modifications in the according paragraphs. The measurement of economic performance is done in the "Cost" module. Here, production losses are quantified by combining the wind speed during a failure with the linearized power curve of the turbine and the local buyback price system. Therefore, the worth of additional or better maintenance equipment can be seen directly as an increase in availability and a decrease of production losses. Results show how sensitive availability and therefore production losses change with respect to changes in the maintenance fleet, reliability characteristics of components and distance to shore. Major improvements of availability were achieved by applying maintenance vessels with a higher operational wave height boundary. An increase of this constraint from one to 1.8 m significant wave height raised the availability by up to 30 percent, leading to a much better economic performance. The influence of the weather forecast accuracy on the number of maintenance vessel and crane deployments is also stated, showing a significant increase of deployments if the weather forecast is only accurate for short times. An improvement of component-reliability, modeled as a 50% decreased annual failure rate, could save up to 440 k€ of yearly production losses for each modeled wind turbine. Higher transit times, due to a greater distance to shore, strongly decrease the wind park availability.Item Open Access A regional analysis of GNSS-Levelling(2008) Raizner, CarinaDie herkömmliche Methode zur präzisen Höhenbestimmung ist das Nivellement. Durch die verbesserte Genauigkeit des Geoids, das von den neuesten und von CHAMP und GRACE (und in Zukunft GOCE) abgeleiteten Modellen des Gravitationspotentials bereitgestellt wird, kann das sogenannte „GNSS-levelling“ als eine Alternative für praktische Höhenanwendungen in Betracht gezogen werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in einer detaillierten Analyse einer optimalen Kombination von heterogenen Daten, die sich aus Ellipsoid-, orthometrischen und Geoidhöhen eines Höhenfestpunktnetzes zusammensetzen. Das Verhältnis zwischen diesen drei verschiedenartigen Höhen basiert theoretisch auf einer einfachen linearen Gleichung. Nachdem aber zahlreiche Faktoren, wie z.B. Datumsinkonsistenzen und systematische Fehler, zu Abweichungen zwischen diesen kombinierten Höhendaten führen, wird ein Modell als Korrekturfläche integriert. Die Eignung ausgewählter Modelle wird anhand verschiedener empirischer und statistischer Tests beurteilt. Um der Korrelation zwischen den Modellparametern entgegenzuwirken, wird das Gram-Schmidtsche Orthonormalisierungsverfahren angewandt und die Testergebnisse mit jenen von orthogonalen und nicht-orthogonalen Basisfunktionen verglichen. Zusätzlich wird eine Varianzkomponentenschätzung auf die kombinierte Ausgleichung der drei Höhen angewandt, um die Eignung des stochastischen Modells zu überprüfen, d.h. um zufällige Fehler zu separieren und die zugehörigen Varianz-komponenten für jeden Höhentyp zu schätzen. Außerdem wird eine detaillierte Studie über geeignete Methoden zur Überprüfung der Daten durchgeführt, um grobe Fehler zu entdecken und zu eliminieren. Schließlich beinhaltet diese Arbeit auch die Implementierung einer Interpolation mit radialen Basisfunktionen. Diese stellen eine orthonormale Basis dar, mit der eine Oberfläche mit unabhängigen Parametern bestimmt werden kann. Gleichzeitig hängt die entsprechende Effizienz der Fläche nicht vom Entwicklungsgrad der Basisfunktionen ab. Die Optimierung des in dem Interpolationskern enthaltenen Formparameters wird mittels eines genetischen Algorithmus (GA) realisiert, um den Interpolationsfehler zu minimieren. Diese Methode bietet den Vorteil, dass sie differenzierbar ist und somit kann die Verteilung der Daten berücksichtigt werden. Mögliche Oszillationen in der Parameterfläche können vermieden werden. Die Wirkungsweise dieser inversen multiquadratischen Funktion wird durch eine spezielle Kreuzvalidierung beurteilt, welche eine höhere Effizienz aufweist als das klassische Verfahren. Die beschriebenen Ansätze werden anhand des aktuellen Geoidmodells und anhand von GPS und Nivellierdaten in Kanada und einzelnen Teilregionen evaluiert.Item Open Access High Performance Computing im Einsatz zur Schwerefeldanalyse mit CHAMP, GRACE und GOCE(2004) Wittwer, TobiasDas Schwerefeld der Erde ist in den letzten Jahren verstärkt zum Forschungsgegenstand geworden. Von besonderer Bedeutung zur globalen Modellierung des Schwerefeldes sind dabei Satellitenverfahren. Derzeit sind dafür die drei Satellitenmissionen CHAMP, GRACE und GOCE operierend oder in Vorbereitung. Die Auswertung dieser Daten ist aufgrund der großen Menge an Beobachtungen und Unbekannten sehr aufwändig, weshalb der Einsatz von Hochleistungsrechnern nötig ist. Diese Arbeit erläutert die Grundlagen der Schwerefeldbestimmung aus Satellitenverfahren. Detailiert werden die heute existierenden Hochleistungsrechner-Architekturen mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen vorgestellt. Ebenfalls eingegangen wird auf die Programmierung von Hochleistungsrechnern und die dafür geeigneten Softwarepakete. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Algorithmen zur Schwerefeldbestimmung auf verschiedenen Hochleistungsrechner-Architekturen implementiert. Die beiden Algorithmen (ein Brute-Force und ein iteratives Schätzverfahren) werden mit den Details ihrer Implementierung und Parallelisierung beschrieben. Dazu gehört auch die Einführung einer Gewichtsmatrix, die Verwendung von Regularisierung zur Stabilisierung des Gleichungssystems, sowie der Varianzkomponentenschätzung zur Kombination verschiedener Beobachtungstypen. Die Ergebnisse der Implementierung und Parallelisierung der beiden Algorithmen auf den verschiedenen verwendeten Hochleistungsrechnern werden detailiert präsentiert. Daraus lassen sich unter anderem Rückschlüsse auf die Eignung verschiedener Architekturen für die verwendeten Algorithmen ziehen. Ebenfalls vorgestellt werden die Ergebnisse der Gewichtung, der Regularisierung und der Varianzkomponentenschätzung.Item Open Access Design of a kite launch and retrieval system for a pumping high altitude wind power generator(2012) Haug, StefanAirborne Wind Energy (AWE) is currently one of the most challanging topics in wind energy. Due to the little amount of material it is possible to reach low energy costs and a low environmental impact. Kites are perfect wings to gain AWE due to its good flight quality and a high surface to mass ratio. However, a good and cheap launch and retrieval system for automated kite usage has not been designed, yet. This thesis aims to analyze the properties which influence the launch and retrieval of a Leading Edge Inflatable (LEI) Kite and to design a complete launch and retrieval system for the automated launch and retrieval of a 100m2 LEI Kite. This thesis starts from close to the scratch. It develops requirement for a launch and retrieval system to later check the quality of different possible systems. It finds out that systems like balloons or UAVs fit the best to the requirements, however, they are not reliable enough in strong wind. Hence an aluminum truss mast is build as prototype to investigate the behavior of the kites during an upside down launch. As the results are auspicious the launch is mathematically analyzed. To create a final design the current kite is scaled up to 100m2. By using the upscaled forces and dimensions it designs - a mast construction - a foundation for on- or offshore applications - a function to store, protect and control the kite during idle time Furthermore it gives a first impression on the dimensions of bearings and engines which are necessary for the system. By scaling up known data and using current price of steel and concrete a price for the system is estimated. It is proven by field tests that the upside down launch is possible with a wind speed of approximately 4m/s and that higher wind speed is profitable for the launch. Analysis showed that the final design is safe in case of extreme temperature, long durability and high wind up to the 50 years gust. Furthermore the CO2 emission per kWh of the final design can be decreased down to 11gCO2/kWh in good conditions.Item Open Access Bahnstörungen durch Ozeangezeiten(2007) Daubrawa, JulianDiese Arbeit beschäftigt sich mit dem Aspekt der Ozeangezeiten in der Satellitenbahnberechnung. Durch Gravitationskräfte des Mondes, der Sonne und der Planeten kommt es zu Massenverlagerungen in den Ozeanen. Diese Massenverlagerungen haben eine Änderung bzw. Störung des Gravitationspotenzials der Erde zur Folge. Diese Störung hat Auswirkungen auf die Bahn eines Satelliten in Form von Störbeschleunigungen. In dieser Arbeit wird die Geschichte der Ozeangezeiten und die Verwendung der Ozeangezeitenmodelle dargestellt. Es werden die Prädiktionsmethoden für die Veränderung der Meeresoberfläche vor den ersten Modellen für Ozeangezeiten erläutert. Ebenfalls wird auf die verschiedenen Klassen der Modelle eingegangen. Ein weiterer Punkt, der in dieser Arbeit Beachtung findet, ist die Theorie der Admittanz. Es werden die Auswirkungen der Ozeangezeiten auf die Satellitenbahnberechnung und auf die Koeffizienten des Schwerefeldmodells untersucht. Die Satellitenbahnberechnung konzentriert sich auf den GOCE-Satelliten und die GPS-Satelliten. Zusätzlich hierzu werden die Auswirkungen der Ozeangezeiten auf einen Punkt auf der Erdoberfläche über verschiedene Zeiträume und auf einen Punkt in verschiedenen Höhen über der Erdoberfläche berechnet. In den Fällen, in denen es interessant ist, werden zwei Ozeangezeitenmodelle miteinander verglichen.Item Open Access Reduced model design of a floating wind turbine(2012) Sandner, FrankFloating platform concepts offer the prospect of harvesting offshore wind energy at deep water locations for countries with a limited number of suitable shal- low water locations for bottom-mounted offshore wind turbines. The floating spar-buoy concept has shown promising experimental and theoretical results. Al- though various codes for a detailed simulation exist the purpose of this work is to elaborate a reduced Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) model that mainly reproduces the overall nonlinear low-frequency behaviour of the system with a significant saving in simulation time. One objective is to extend the model predictive control algorithm that has previously been developed for onshore wind turbines to the FOWT for motion control and load reductions. Another objective is a fast dynamic assessment of new concepts during design phase with respect to load cases defined by the International Electrotechnical Commission (IEC). The platform and wind turbine structure is modelled as a three-dimensional multibody system consisting of four rigid bodies with nine degrees of freedom. That is, unconstrained platform motion, tower bending in two directions and variable rotor speed. The coupled nonlinear system of equations of motion is calculated symbolically using the Newton-Euler formalism that takes Coriolis- and centrifugal forces into account. Complex disturbances on the system arising from aerodynamics and hydrodynamics are simplified along with the model as efficiently and accurately as possible. Wind loads are predicted by reducing the three-dimensional turbulent wind field to a scalar rotor-effective wind speed also considering restoring torques resulting from oblique inflow. Linear wave theory provides the wave kinematics and wave loads are calculated using the relative formulation of Morison’s Equation. An approach is presented to estimate wave loads on the floating structure based only on real-time wave height measurements. This allows also for an analytical calculation of wave loads in time-domain with- out iterative or recursive algorithms so that a significant saving in computational time is achieved. The presented disturbance reduction to simple and measurable inputs for wind and waves is a precondition for the implementation of an opti- mal control algorithm. The reduced nonlinear model is compared to the certified aero-hydro-servo-elastic FAST model in time and frequency domain. The results are promising as there is good agreement in static and dynamic response.Item Open Access Preprocessing of high rate GPS data for real-time applications(2008) Deng, ZhiguoIn den letzten Jahren erforderten immer mehr geodätische Anwendungen GPS-Daten mit 1 Hz sampling rate, zum Beispiel die Low Earth Orbiter Missionen CHAMP und GRACE sowie GPS-Überwachungsnetze. In der gleichen Zeit verbesserten die wachsenden Kapazitäten des Internets den Transport von Daten in Echtzeit und die langfristige Archivierung mit weniger Kosten. Dies erfordert GPS-Software mit der Fähigkeit, GPS-Daten und GPS-Netze in Echtzeit zu verarbeiten. Weil nur ein Cycle Slip die GPS-Lösung verfälschen kann, ist die Vorprozessierung von GPS-Daten zur Erhaltung der hohen Genauigkeit besonders wichtig. Zurzeit gibt es eine ganze Reihe von verfügbaren Techniken für diesen Zweck. In dieser Arbeit wird ein neuer Algorithmus vorgestellt, mit dem Cycle Slips von 1 Hz GPS-Daten in Echtzeit erkannt werden können. Um die Verarbeitung der 1 Hz GPS-Daten in Echtzeit zu gewährleisten, muss der neue Algorithmus schnell und vollautomatisch arbeiten. Des weiteren müssen Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Effektivität berücksichtigt werden. Nach dem Studium der 1Hz GPS-Daten und existierender Algorithmen wird in dieser Arbeit ein neuer Algorithmus entwickelt. Der Algorithmus verwendet Differenzen zwischen Satellitenträgerphasen und ionosphärische (geometriefreie) lineare Kombination. Mit Polynom Fitting werden cycle slips gesucht. In dieser Arbeit wird die Leistung des Algorithmus zur Bestimmung von Cycle Slips als Funktion von Satellitenelevationswinkeln, anhand Einzelfrequenzenempfängern wie Garmin, Thales und Notvale untersucht.Item Open Access Bewertungsrelevante Aspekte bei Offenen Immobilienfonds(2005) Gebert, ChristophIm Zuge dieser Diplomarbeit wird versucht dem Leser einen Eindruck über die verschlüsselte Thematik der Offenen Immobilienfonds und die Bewertung der darin gehaltenen Immobilien zu geben. Bereits seit 1959 gibt es diese für Deutschland typische Assetklasse. Welche mittlerweile ein Volumen von fast 90 Milliarden Euro verwaltet. Viele der Aktivitäten, die im Zusammenhang mit der Investition stehen, werden für die Anleger in keiner Weise sichtbar. Die Kapitalanlagegesellschaften erweisen sich bei genauerer Betrachtung als ein komplexes System aus verschiedenen Bereichen, die einzig und allein das Ziel verfolgen, durch gezielte Immobilienkäufe und -vermietungen auf der ganzen Erde, eine hohe Rendite für die Anleger zu erwirtschaften. Nach einem Überblick über die derzeit aufgelegten Fonds und ihre charakteristischen Merkmale wendet sich die vorliegende Arbeit den rechtlichen und steuerlichen Belangen der Fonds zu. Gerade die Einführung des Investmentgesetzes im Jahre 2004 brachte mehr Kompetenzen für die Kapitalanlagegesellschaften aber ebenfalls eine weitere Steigerung der Anlegerrechte. Der Leser wird von der Diplomarbeit durch ausgewählte Abteilungen einer Fondsgesellschaft begleitet: Research: Hier werden die internationalen Regionen und ihre Immobilienmärkte analysiert um u. a. die Sachverständigen bei ihrem Bewertungsauftrag mit Informationen versorgen zu können. Einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg eines Offenen Immobilienfonds leisten die Mitarbeiter des Portfolio-Managements. Sie sind für die Umsetzung der Fondsstrategie in die Anlagerealität zuständig. Weiterhin werden in diesem Zusammenhang die Begriffe der Diversifizierung und der Ertragssicherung erläutert. Die Akquisitionsabteilung befasst sich mit dem Kauf neuer Liegenschaften. Es wird der schematische Ablauf einer Akquisition und die Arbeit der Akquisiteure präsentiert. Im Anschluss an eine Neuanschaffung ist das Asset-Management für die Betreuung der Liegenschaft verantwortlich. Durch das dortige Wissen über die Mieteinnahmen und andere Objektdaten, ist das Asset-Management ein wichtiger Ansprechpartneer für die Sachverständigen. Nach der Exkursion durch eine Fondsgesellschaft wendet sich die Diplomarbeit der Problematik der Bewertung zu. Es werden der Sachverständigenausschuss und seine Arbeit vorgestellt, sowie die Bewertung der Fondsimmobilien beschrieben. Auf die Problematik der Bewertung von Immobilien im Ausland und die Beschaffung wertrelevanter Daten wird eingegangen. Abschließend wird der Versuch unternommen, die Bewertung von Auslandobjekte durch die Ermittlung von wertrelevanten Faktoren, die im Ausland nicht existieren, zu vereinfachen. Dies erwies sich aufgrund der Gesamtsituation der OIF als momentan sehr schwierig.Item Open Access Satellite gradiometry using a satellite pair(2004) Sharifi, Mohammad AliProviding global and high-resolution estimates of the Earth's gravity field and its temporal variations with unprecedented accuracy is the primary science objective of the GRACE mission. These twin satellites are the second spacecraft of the type gravity field dedicated missions which have realized satellite to satellite tracking in the low-low mode(SST-LL). The preceding spacecraft is the low orbiting CHAMP satellite which has substantiated the high-low mode satellite to satellite tracking concept(SST-HL). Observing inter-satellite range and range rate by the K-band Ranging System (KBR) with the highest possible accuracy is the superiority of GRACE over CHAMP. Nevertheless, LL-configuration can be combined with the HL-concept implemented in CHAMP to provide a much higher sensitivity. The line of sight (LOS) acceleration differences between the twin satellites and a Taylor expansion of the gravitational tensor components of the barycenter of the satellites, called gradiometry approach afterward, are two outcomes of the two concepts combination. Global gravity field determination in terms of spherical harmonic coefficients can be preformed using the LOS acceleration differences directly. However, full implementation of the other observable is neither possible nor required. On the other hand, being satisfied just with the applicable form of the observable corresponding to linear combination of the components of the tensor, causes linearization error. Unfortunately, contribution of this systematic error to the estimated coefficients is considerable. Therefore, the observable should be either modified or expanded at least up to third order to lower the effect of the neglected terms. Herein, the modified form of the observable will be employed due to complexity of cubic term expansion for full gravitational potential expansion. One possible modification is replacing the gravitational potential and all corresponding quantities with the incremental ones. Low-degree (up to 30) coefficients can be perfectly estimated by just using an incremental quantity corresponding to an ellipsoidal reference field. Due to simplicity of the cubic term of the expansion for an ellipsoidal reference field, a mixed linear-cubic approximation of the observable can be applied for low-degree harmonic coefficients estimation as well. Both of them yield the same numerical results. However, a reasonable accuracy can not be achieved in the higher degree (n>30) coefficients estimation with the aforementioned modification. An incremental potential correspond with a spheroidal reference field of the degree l (l>2) can be utilized instead. Redefinition of the reference field leads to an acceptable accuracy in the higher degree estimated coefficients. Another alternative is using a mixed equation in which mathematical models of the acceleration difference and the linear combination of the gravitational radient tensor elements types are considered for low-degree (nl) harmonics respectively. It's equivalent to removing the contribution of a spheroidal reference field of the degree l to the observations as a deterministic trend of the measurements. Implementation of these modifications results much the same accuracy as the other approach yields. For better understanding of the commission error behavior, the simulated observations are contaminated with a simulated Gaussian random noise sequence. Its contribution to the estimated coefficients with respect to other errors are analyzed. Besides, aliasing/omission error, the dominant degradation factor and its contribution to the estimated coefficients are studied. The numerical analysis indicates that overestimating the coefficients and weeding out the higher degree harmonics as the affected terms seems to be one of the possible strategies for minimizing the aliasing. The Gradiometry approach takes more CPU time as compared to the LOS acceleration differences. It is due to the second order derivatives of the potential calculation besides the first order derivatives which is common to both approaches. In contrast, the observable in gradiometry approach is a one-point function while the other observable is a two-point function. Therefore, in space-wise approach and local gravity field determination (i.e. local geoid), the gradiometry approach would be preferable to the other. In addition, the tensor elements indicate curvature of the gravitational potential which directly corresponds to geometry of the field.