06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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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 Assessing hydrological changes in the Murray-Darling basin(2010) Schmid, StefanieIn this diploma thesis GRACE-derived time-variable gravity, TRMM precipitation, and in-situ hydrological observations (water level, river flow) between May 2003 and April 2009 (6 years) are used to assess hydrological changes in the Murray-Darling Basin (MDB). The investigations in terms of Multiple Linear Regression Analysis (MLRA) and Principal Component Analysis (PCA) show distinct differences between the northern and southern climatic regions of the MDB. While the north is dominated by precipitation occurring within the early part of each year, precipitation appears in the south half a year later. Furthermore, a severe drought is detected, which appeared in 2006/07. The analysis of seasonal variations reveals that gravity changes are preceded by precipitation by about one month in the north of the MDB, while the south shows the inverse behaviour. The phase shift of gravity changes between the north and the south suggests a mass transport taking about 5 months to cross the MDB from the north to the south, which is confirmed by the in-situ hydrological observations.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 Variance-covariance matrix estimation with LSQR in a parallel programming environment(2008) Guo, RonggangKnowledge about the gravity field allows an insight into the structure and dynamics of the earth. It provides the geoid as the most important physical reference surface in geodesy and oceanography. Since 2000, the CHAMP (CHAllenging Mini-satellite Payload) mission detects the structure of the global gravity field, followed by the launch of GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) in 2002. In 2008, finally, the GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) satellite is supposed to be set in orbit. These missions demonstrate satellite-based gravity field recovery to be at the center of geo-scientific interest. Interpretation and evaluation of satellite observations are difficult, especially the determination of the unknown gravity field parameters from a huge amount of measurements. Because of the immense demand for memory and computing time, the occurring systems of equations pose a real numerical challenge. Therefore, High-Performance Computing (HPC) is commonly adopted to overcome computational problems. Basically, parallel programming with MPI and OpenMP routines allows to speed up the solution process considerably. In this thesis, firstly global gravity field modelling by means of satellite observations is reviewed. Secondly, the LSQR method (Least-Squares using QR factorization) is introduced in detail in order to solve the resulting least-squares problems. Because the LSQR method is an iterative solver, it basically can not provide the variance-covariance information of the parameter estimate. To investigate the approximate computation of the variance-covariance matrix, two methods are introduced. The first one is based on the generalized inverse of the design matrix. The second approach applies Monte-Carlo integration techniques. Because parallel programming is very helpful to implement such iterative methods, it is necessary to introduce some basic principles and concepts about HPC.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 GOCE sensitivity studies in terms of cross-over analysis(2009) Xue, YangThe GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) satellite, launched on 17 March 2009, for the first time applies satellite gravity gradiometry (SGG) to recover the Earth's gravity field with cm accuracy at a resolution of 100km. To meet the envisaged accuracy, measurement validation at cross-over points (XOs) is necessary. Typically, validation is based on gravity gradients (GGs). However, the coefficient matrix of the gravitational tensor is dependent on orientation. In order to avoid matrix rotation, analysis based on orientation-independent invariants is possible. By applying various noise models, the goodness of XO-validation based on GGs and invariants will be studied in this thesis. First, by determining the maximum of scalar products from two tracks, the XOs can be predicted. Next, using local polynomial approximation, the geographical coordinates of XOs are calculated by solving a system of equations. Due to the orbit drift, the interpolation of height is performed separately along ascending and descending track before final comparison. Considering a sampling rate of 1Hz, GGs and invariants in all points of a one-week orbit are simulated for the further interpolation at the XOs. To determine the goodness of the selected interpolation algorithm, a closed loop test with noise-free data is investigated first. Since signal to noise ratios of GGs and invariants are all above 70dB, the same algorithm is applied in closed loop tests with noisy data. Since GOCE can only provide high accuracy for the main diagonal tensor components, various noise models, i.e. homogeneous and inhomogeneous white noise as well as homogeneous and inhomogeneous coloured noise, are added to the simulated values. The comparison of the goodness of GGs opposed to invariants is based on the signal to noise ratio (SNR). In this study, the second invariant demonstrates better SNR than GGs and the third invariant in the case of homogenous noise. However, due to the impact of inaccurate GGs, the SNR of invariants is poorer than the SNR of all GGs in the case of inhomogeneous noise.Item Open Access Optimization of the orbit parameters of future gravity missions using genetic algorithms(2011) Ellmer, MatthiasThe best global models for Earth's gravitational field are provided by recent satellite missions like CHAMP, GRACE and GOCE. The research in this thesis is dedicated to finding favorable parameters for possible future multi-pair satellite formations that follow in GRACE's footsteps. A software framework was developed in the Python programming language that allows the study of such satellite formations using a range-acceleration approach to gravity recovery. The computational performance of this framework was improved significantly through several optimization steps, amongst others involving successful parallelization of multiple simulations and the exploitation of a GPU-accelerated version of the mathematical library BLAS. A large number of parameter studies were performed in an attempt to define criteria for the automatic quantification of the objective quality of specific multi-pair mission scenarios. This was achieved by analyzing and assessing several characteristics of the recovered potentials in both the spatial and the spectral domain. Using the custom software framework as well as the developed benchmarks for a recovered potential, a genetic algorithm capable of autonomously finding optimal combinations of multiple satellite formations was implemented. This genetic algorithm was then tested in a simple scenario, intended to find the optimal complimentary formation to a single polar satellite pair modeled after the GRACE twin-satellite mission. The performed genetic algorithm simulation suggests that a pendulum on a ~58° inclined orbit with a long along-track baseline and an opening angle of around 40° would make a good companion for GRACE. While finalizing this thesis a flaw in the custom software was discovered that affected all simulations performed in the context of the parameter studies and the genetic algorithm. This means that the results presented in this thesis should be considered with a critical mindset. The developed methodologies used to arrive at these results are however sound and could be used in future studies.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 Gravimetrische Untersuchungen und Einflussmodellierung "Stuttgart 21"(2014) Efinger, BenjaminDurch das geplante Großbauprojekt "Stuttgart 21" und den damit notwendigen Tunnelbauarbeiten entsteht nach deren Fertigstellung im Untergrund eine Massenveränderung. Diese Massenveränderung führt zu einer veränderten Schwerkraft, die mithilfe von gravimetrischen Untersuchungen beobachtet werden kann. Da sich die Tunnelbauarbeiten noch im Anfangsstadium ihrer Durchführung befinden, können diese Veränderungen bisher nur modelliert werden. Dazu stehen verschiedene Modelle zur Verfügung, die eine Massenveränderung im Untergrund mit unterschiedlichen geometrischen Formen beschreiben. Diese werden auf Grundlage einer Beispielgeometrie miteinander verglichen und bewertet, um anschließend mit den geeigneten Modellen und der geplanten Tunnelgeometrien den Einfluss der Tunnel zu modellieren. Um abschließend den modellierten Einfluss nach Tunnelfertigstellung mit den dann beobachteten Schwerewerten vergleichen zu können, wurde vor dem Beginn der Tunnelarbeiten mit gravimetrischen Beobachtungen begonnen. Dazu wurde ein geeignetes Profil gewählt, das die Tunnelröhren kreuzt, um so eine generelle Aussage über den Einfluss der Massenveränderung treffen zu können. Wichtig ist hierbei unter anderem die Frage, ob es mit dem vorliegenden Instrument, einem Relativgravimeter, möglich ist, aus den beobachteten Schwerewerten einen Einfluss zu beobachten. Zusätzlich werden die Einflüsse auf den Schweregradienten modelliert und analysiert. Da diese jedoch in einem nicht mehr messbaren Bereich liegen, werden dazu nur Messungen in einem Testumfeld durchgeführt und ausgewertet. Dabei ist interessant, ob sich das Messprinzip für zukünftige Untersuchungen eignet.Item Open Access Applying stochastic constraints on time-variable GRACE data(2009) Lorenz, ChristofSince its launch in the year 2002, the space satellite mission GRACE provides spherical harmonic coefficients, which can be used to observe the time-variable part of the Earth's gravity field. It was initially assumed that the derived gravitational quantities from these coefficients are of high accuracy and would thus deliver reliable large scale mass estimates. However, the provided coefficients of higher harmonic degree and order turned out to be seriously contaminated with noise, yielding an unrealistic signal of mass variations in form of massive north-south stripes. In this work, two methods are investigated, which add stochastic constraints to time variable GRACE coefficients. It is assumed that these techniques are able to reduce the noise level in the monthly datasets by assimilating the GRACE coefficients with more reliable data. Both approaches need prior estimates of a signal and error covariances. Hence, the signal covariance of the time-variable gravity field is assumed to be of isotropic nature and is thus computed as a Kaula-type power law, which is fit into the part where the signal degree variances of the GRACE solutions linearly attenuate. The error covariance is estimated according to the energy balance approach which allows the simulation of a fully populated GRACE covariance matrix. Stochastic constraining in the spectral domain combines both signal and error covariance estimates in a Bayesian type regularization procedure, which constrains the monthly GRACE solutions with the modelled signal covariance. It is shown that Bayesian type regularization can be used to build a spectral filter kernel. Furthermore, the weight between both GRACE coefficients and the regularization term is estimated by a variance component estimation. Tests with a full, block diagonal and diagonal covariance matrix are performed, as it is widely believed that full covariance information can be sufficiently approximated by a block diagonal matrix. Furthermore, the Bayesian type regularization filter is tested with three different monthly GRACE solutions and compared with other widely used filtering techniques. The second approach constrains the time-variable GRACE coefficients with hydrological observations, which are provided as monthly precipitation and run-off values on basin scale. Both the GRACE and hydrological observation group are assimilated in one linear model, which is solved by sequential least squares estimation, yielding an agreement between mass estimates from GRACE and observed hydrology.