Drescher, Ralf (2013)
Präzise und echtzeitnahe Positionierung in einem Mixmode-GPS-Netz mit großen Höhenunterschieden.
Buch, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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