Qualitätssteigerung von Low-Cost-GPS Zeitreihen für Monitoring Applikationen durch zeitlich-räumliche Korrelationsanalyse

Abstract

Das Monitoring von Bauwerken und natürlichen Objekten ist einer der zentralen Aufgabenbereiche der Ingenieurgeodäsie. Mit Low-Cost Ein-Frequenz GPS-Empfängern steht im Vergleich zu den konventionellen geodätischen Zwei-Frequenz GNSS-Empfängern eine kosteneffektivere Alternative zur Verfügung, insbesondere für geodätische Monitoring Applikationen, bei denen mehrere Empfänger eingesetzt werden. Zahlreiche Voruntersuchungen zeigen, dass Low-Cost Ein-Frequenz GPS-Empfänger unter Nutzung von Phasendaten bei kurzen Basislinien ein vergleichbares Ergebnis wie geodätische GNSS-Empfänger erreichen können. Stationsabhängige Fehler, insbesondere die Mehrwegeeffekte, sind dabei die dominierende Fehlerquelle für kurze Basislinien. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines koordinatenbasierten Algorithmus, der eine Reduktion der Auswirkungen der Mehrwegeeffekte in Nahe-Echtzeit ermöglicht, so dass die Qualität der Low-Cost-GPS Zeitreihen für Monitoring Applikationen verbessert werden kann. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Mehrwegeeffekte zunächst durch Verwendung einer L1-optimierten Choke-Ring Grundplatte reduziert. Die Genauigkeit kann dadurch um ca. 50 % verbessert werden, die Standardabweichung des Einzelwertes (1σ) in der dreidimensionalen Position liegt damit bei etwa 11 mm. Anschließend werden zwei koordinatenbasierte Methoden entwickelt, um die harmonischen Schwingungen, die in den Zeitreihen auftreten und wahrscheinlich durch die Mehrwegeeffekte hervorgerufen sind, zu reduzieren. Dabei werden jeweils die zeitlichen und räumlichen Korrelationen von mehreren, dicht nebeneinander stehenden Low-Cost Ein-Frequenz GPS-Empfängern berücksichtigt (Methode 1 basiert auf den zeitlichen Korrelationen und Methode 2 auf den räumlichen Korrelationen). Durch Anwendung der beiden Methoden wird die Genauigkeit der Zeitreihen der Low-Cost-GPS Empfangssysteme nochmals um etwa 50 % verbessert. Die wichtigste Anforderung an ein Monitoring System ist, dass richtige Aussagen über geometrische Änderungen des überwachten Objekts rechtzeitig zur Verfügung stehen. Daher wird die Qualität der GPS-Messung für Monitoring Applikationen durch zwei Qualitätsmerkmale beschrieben: Genauigkeit und Korrektheit der Aussage. Die Korrektheit der Aussage kann durch die Rate des unterlassenen Alarms und die Rate des falschen Alarms parametrisiert werden. Durch die Verbesserung der Genauigkeit wird die Rate des unterlassenen Alarms, insbesondere für kleine Deformationen, reduziert. Die Aussagen stehen als Nahe-Echtzeit-Lösungen zur Verfügung: Mit einem Zeitverzug von 30 Minuten kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob eine Deformation vorliegt. Die Raten des unterlassenen Alarms bei einer Deformationsgröße von 1 σ werden von 91,3 % jeweils auf 51,4 % (durch Methode 1) bzw. auf 43,1 % (durch Methode 2) reduziert. Die Raten des falschen Alarms der Methode 1 und 2 sind allerdings von 0,0 % jeweils auf 1,3 % und 4,9 % leicht gestiegen. Insgesamt wird die Korrektheit der Aussage durch die zwei Methoden verbessert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Qualität des Low-Cost-GPS Empfangssystem durch die zwei Methoden und die L1-optimierte Choke-Ring-Grundplatte deutlich verbessert werden. Das vorgestellte Low-Cost-GPS Empfangssystem stellt somit ein kostengünstiges, genaues und zuverlässiges System für Monitoring Applikationen dar.