Forschungsprojekt

Automatisches Low-Cost-GNSS Monitoringsystem

Monitoring ist eine der zentralen Aufgaben in der Ingenieurgeodäsie

Trends beim Monitoring sind die Automation und Kontinuität der Messungen.
Die geodätischen GNSS-Empfänger, die zum einen die genauere Trägerphase zur Messung heranziehen und zum anderen im relativen Modus messen, können eine Positionsgenauigkeit im sub-cm Bereich erreichen. Zudem sind GNSS-Empfänger neben zielverfolgenden Tachymetern die einzige Möglichkeit, mehrdimensionale Positionen automatisiert und kontinuierlich zu erfassen. Aus diesem Grund wurden GNSS-Empfänger bereits früh für das Monitoring eingesetzt. Ein Vorteil der GNSS-Empfänger ist ihre Allwetterfähigkeit, außerdem ist keine direkte Sichtverbindung für die GNSS-Messungen nötig und die Datenerfassung ist automatisiert und kontinuierlich.

Bisher sind allerdings die geodätischen GNSS-Empfänger wegen ihres hohen Preises (zum Teil mehr als 20 000 €) nicht für einen flächendeckenden Einsatz geeignet. Voruntersuchungen am IIGS zeigten, dass die preisgünstigen Ein-Frequenz-Empfänger, die für den Massenmarkt entwickelt werden und deutlich weniger als 100 € kosten (wie z.B. U-blox GPS-Empfänger), unter Nutzung von Phasendaten ein vergleichbares Ergebnis wie geodätische GNSS-Empfänger erreichen können. Ein automatisches Low-Cost GPS Monitoring Systems, das mit U-blox GPS Empfänger LEA-6T ausgerüstet ist, wurde am IIGS entwickelt.

System-Architektur

  • Automatische Datenkommunikation in Echtzeit

Eine Station wird als Zentralstation (Master) betrieben (sie regelt die Datenkommunikation zentral) und zwei andere Stationen fungieren als Clients, die die erfassten Daten kontinuierlich in Echtzeit via selbstorganisiertes Wireless Mesh Networks (WMN) zur Zentralstation transportieren. Die Rundstrahl-WLAN-Antennen sind eingesetzt.

  • Automatische Datenauswertung in Nahe-Echtzeit

An der Zentralstation ist ein Computer angeschlossen; Datensammlung und -auswertung finden dort statt.

  • Automatische Stromversorgung

Damit das System autonom läuft, ist die Stromversorgung jeder Station durch ein Solarpanel, einen Solarladeregler und eine Autobatterie sichergestellt.

  • Low-Cost-GPS-Empfänger und Antenne

Das Herzstück jeder Station ist der neueste (in Jahr 2012) U-blox GPS-Empfänger LEA-6T (nur L1), der in den Router eingebaut ist und auf einer definierten Schnittstelle die GPS-Rohdaten in einem binären Format (UBX-Format) ausgibt. Die eingesetzte Trimble-Bullet III Antenne kostet unter 100 €.

  • Selbstkonstruierte Choke-Ringe

Selbstkonstruierte L1-optimierte Choke-Ringe sind verwendet.

Qualität des Systems

Zahlreiche Qualitätsuntersuchungen wurden mit dem System durchgeführt (vgl. die Publikationen). Bei dem System kann man auch neueren Low Cost GNSS Empfänger und Antennen verwenden. Generell kann das automatische Low-Cost GNSS System (bei einer kurzen Basislinien von einigen Kilometers) eine Genauigkeit bis zu einigen mm in der Lage und bis 1-2 cm in der Höhe erreicht werden.

 (c) IIGS

Qualitätssteigerung durch zeitlich-räumliche Korrelationsanalyse

Der Einfluss der Mehrwegeeffekte kann durch Verwendung einer L1-optimierten Choke-Ring Grundplatte reduziert, die Genauigkeit kann dadurch um ca. 50 % verbessert werden.

Zusätzlich 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 (eine Methode basiert auf den zeitlichen Korrelationen und die zweite Methode auf den räumlichen Korrelationen). Durch Anwendung der beiden Methoden wird die Genauigkeit der Zeitreihen der Low-Cost-GPS Empfangssysteme nochmals um etwa 50 % verbessert.

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 Ergebnisse der vorliegenden Forschung an IIGS 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.

Projektübersicht Poster

Publikationen

  • Hassan, A., Xu, J., Zhang, L., Liu, G., Schmitt, A., Xing, C. Xu, Y., Ouyang, C., Schwieger, V. (2018): Towards integration of GNSS and GB-SAR measurements: Exemplary monitoring of a rock fall at the Yangtze River in China. In: FIG CONGRESS 2018, Istanbul, Turkey.
  • Zhang, L., Schwieger, V. (2017): Investigation of a L1-optimized Choke Ring Ground Plane for a Low-Cost GPS Receiver-System. Journal of Applied Geodesy, Band 12, Heft 1, Seiten 55–64, ISSN (Online) 1862-9024, ISSN (Print) 1862-9016, DOI: https://doi.org/10.1515/jag-2017-0026.
  • Zhang, L., Schwieger, V. (2017): Investigation of a L1-optimized Choke Ring Ground Plane for a Low-Cost GPS Receiver-System. FIG Working Week 2017, 29.05.-02.06.2017, Helsinki, Finnland.
  • Zhang, L., (2016): Qualitätssteigerung von Low-Cost-GPS Zeitreihen für Monitoring Applikationen durch zeitlich-räumliche Korrelationsanalyse. (Dissertation) Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schwieger, Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Otto Heunecke, Prof. Dr.-Ing. habil. Lambert Wanninger, Bayerische Akademie der Wissenschaften, Verlag C. H. Beck, DGK, Reihe C, Nr. 776
  • Zhang, L.; Schwieger, V.: Improving the Quality of Low-Cost GPS Receiver Data for Monitoring Using Spatial Correlations. In: Journal of Applied Geodesy 2016, 10(2): S. 119-129.
  • Zhang, L.; Schwieger, V.: Improving the Quality of Low-Cost GPS Receiver Data for Monitoring Using Spatial Correlations. In: 3rd Joint International Symposium on Deformation Monitoring (JISDM), 30.03-01.04, 2016, Vienna, Austria.
  • Zhang, W., Zhang, L.: Time Series Analysis of Different Shieldings of Low-Cost GPS Receiver. Proceedings on 2nd International workshop on “Integration of Point- and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects”, March 23-24, 2015, Stuttgart, Germany.
  • Zhang , L.: Reducing Multipath Effects by Considering Spatial Correlation. Proceedings on 2nd International workshop on “Integration of Point- and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects”, March 23-24, 2015, Stuttgart, Germany.
  • Zhang, L.: Time-Spatial Analysis for Low-Cost GPS Time Series. In: Karpik, A., Schwieger, V., Novitskaya, A., Lerke, O. (Hrsg.): Proceedings on International Workshop on Integration of Point- and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects. SSGA, Novosibirsk, Russia, 2014.
  • Zhang, L., Schwieger, V.: Investigation regarding different antennas Combined with low-Cost receiver. FIG Working Week, Abuja, Nigeria, 06.-10.05.2013.
  • Zhang, L., Schwieger, V.: Monitoring mit Low-Cost GPS Empfängern –Chancen und Grenzen. In GNSS 2013 – Schneller. Genauer. Effizienter. 124. DVW-Seminar on 14. - 15. 03. 2013 in Karlsruhe, Wißner Verlag, Augsburg, 2013.
  • Zhang, L., Stange, M., Schwieger, V.: Reducing the Costs of Geodetic Monitoring. GIM International, September 2012.
  • Zhang, L., Stange, M., Schwieger, V.: Automatic Low-Cost GPS Monitoring System Using WLAN Communication. FIG Working Week 2012. 6.-10.05.2012, Rom, Italien.
  • Schwieger, V., Zhang, L.: Automated Geodetic Monitoring By Low-Cost GPS. Interexpo Geo-Siberia – 2012. 17-19. 04.2012, Novosibirsk, Russland.
  • Schwieger, V., Zhang, L.: Automatisches geodätisches Monitoring mit Low-Cost GNSS. Messtechnik im Bauwesen, Spezial 2012, Verlag Ernst & Sohn, Berlin.
Li Zhang
Dr.-Ing.

Li Zhang

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

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