Studienarbeit 193

Chancen und Grenzen von Ein-Frequenz-Empfängern im Kontext des Reservoirmonitoring mit GNSS.

von cand. Geod. Julia Rickert

Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Bernhard Heck
Betreuer: Dr.-Ing. M. Mayer, Dipl.-Ing. A. Knöpfler
Interne Bibliotheksnummer: 193

Sind präzise GPS-Messungen gefordert, so werden i.d.R. statische Messungen mit den beiden Frequenzen L1 (1575.42 MHz) und L2 (1227.60 MHz) erfasst und ausgewertet. Diese Herangehensweise bietet den Vorteil, dass zur Auswertung, neben Differenzbildung der Basislinien, auch Linearkombinationen zur Verminderung von Fehlereinflüssen gebildet werden können. Die Entscheidung, nur Signale von einer Frequenz zu verwenden, scheint daher im ersten Moment eine schlechtere Wahl zu sein, bringt jedoch einen entscheidenden Vorteil mit sich: Die Kosten für die Anschaffung eines Ein-Frequenz-Empfängers liegen bei einem Bruchteil der Kosten, die beim Kauf eines Multi-Frequenz-Empfängers anfallen. Da die Fehlerminimierung mittels Linearkombination nicht möglich ist, muss nach anderen Möglichkeiten gesucht werden, auftretende Fehler zu reduzieren. Der besondere Fokus dieser Arbeit wurde in diesem Kontext auf die Ionosphäre gelegt. Ein sehr pragmatischer Weg zur Reduzierung ionosphärischer Einflüsse liegt in der Begrenzung der Basislinienlänge.

In dieser Arbeit wurde auf Basis virtueller Daten und mittels des Programms Leica Geo Office 8.0 (LGO), untersucht, welche Genauigkeiten in Abhängigkeit von der Basislinienlänge mit unterschiedlichen Ausprägungen von Ein-Frequenz-Messdaten erreicht werden können. Im Umkehrschluss soll eine maximale Entfernung ermittelt werden, bis zu der die Ergebnisse der Auswertungen für präzises Monitoring akzeptabel sind.

Beispielhaft angeführt Untersuchungen: Es wurden die Auswirkung unter anderem auf die Koordinatenbestimmung untersucht, bei Verwendung eines von LGO berechneten, lokal hoch aufgelösten Ionosphärenmodells im Vergleich zu einem extern berechneten und in LGO eingeführten globalen Ionosphärenmodell des IGS mit geringer lokaler Auflösung. In der nebenstehenden Tabelle sind die Differenzen dN, dE und dH für die Auswertung bezüglich einer „Best-Case-Auswertung“ mit beiden Frequenzen L1 und L2 dargestellt. Die Vorgabe für die Genauigkeitsabschätzung waren 2 mm, die in der Höhenkomponente nicht überschritten werden sollte. Für dieses Auswerteszenario kann somit basierend auf der untersuchten Datenbasis gefolgert werden, dass bis zu einer Basislinienlänge von 10 km eine Auswertung von Ein-Frequenz-Daten ausreichend genau ist.
Darüber hinaus wurde untersucht, ob ein Einfluss auf die Koordinatenbestimmung feststellbar ist, wenn einerseits die Referenzstation sowohl L1- als auch L2-Daten empfängt während die Roverpunkte mit Ein-Frequenz-Empfängern ausgestattet sind oder andererseits beide Stationen nur Signale auf L1 empfangen. Auch hierfür wurden Differenzen dN, dE und dh zur „Best-Case-Lösung“ berechnet und in der folgenden Grafik dargestellt. Wird wieder die Forderung gestellt, dass die Abweichungen in der Höhenkomponente unter 2 mm liegen soll so gibt es bis zu einer Basislinienlänge von 20 km keine Beschränkungen. Detaillierte Werte sind in der nebenstehenden Tabelle aufgelistet. Neben der Auswertung von 24-Stunden-Daten wurden weiterhin Daten mit Beobachtungslängen von 8 und 3 Stunden analysiert. Die Verwendung von Ein-Frequenz-Empfängern kann unter Berücksichtigung einiger Randbedingungen ähnliche Genauigkeiten erreichen wie die Verwendung von Multi-Frequenz-Empfängern. Die besten Ergebnisse werden für statische Ein-Frequenz-Messungen erzielt, wenn eine Referenzstation verwendet wird, die mit einem Multi-Frequenz-Empfänger ausgestattet ist. Dieses Ergebnis ist sehr praktikabel, da im Feld mit kostengünstigen Ein-Frequenz-Empfängern gearbeitet werden kann, während als Referenzstation beispielsweise schon vorhandene SAPOS ® -Stationen genutzt werden können.

Beispielhaft angeführt Untersuchungen:

Es wurden die Auswirkung unter anderem auf die Koordinatenbestimmung untersucht, bei Verwendung eines von LGO berechneten, lokal hoch aufgelösten Ionosphärenmodells im Vergleich zu einem extern berechneten und in LGO eingeführten globalen Ionosphärenmodell des IGS mit geringer lokaler Auflösung. In der nebenstehenden Tabelle sind die Differenzen dN, dE und dH für die Auswertung bezüglich einer „Best-Case-Auswertung“ mit beiden Frequenzen L1 und L2 dargestellt.

Die Vorgabe für die Genauigkeitsabschätzung waren 2 mm, die in der Höhenkomponente nicht überschritten werden sollte. Für dieses Auswerteszenario kann somit basierend auf der untersuchten Datenbasis gefolgert werden, dass bis zu einer Basislinienlänge von 10 km eine Auswertung von Ein-Frequenz-Daten ausreichend genau ist.

Darüber hinaus wurde untersucht, ob ein Einfluss auf die Koordinatenbestimmung feststellbar ist, wenn einerseits die Referenzstation sowohl L1- als auch L2-Daten empfängt während die Roverpunkte mit Ein-Frequenz-Empfängern ausgestattet sind oder andererseits beide Stationen nur Signale auf L1 empfangen. Auch hierfür wurden Differenzen dN, dE und dh zur „Best-Case-Lösung“ berechnet und in der folgenden Grafik dargestellt. Wird wieder die Forderung gestellt, dass die Abweichungen in der Höhenkomponente unter 2 mm liegen soll so gibt es bis zu einer Basislinienlänge von 20 km keine Beschränkungen. Detaillierte Werte sind in der nebenstehenden Tabelle aufgelistet.

Neben der Auswertung von 24-Stunden-Daten wurden weiterhin Daten mit Beobachtungslängen von 8 und 3 Stunden analysiert.

Die Verwendung von Ein-Frequenz-Empfängern kann unter Berücksichtigung einiger Randbedingungen ähnliche Genauigkeiten erreichen wie die Verwendung von Multi-Frequenz-Empfängern. Die besten Ergebnisse werden für statische Ein-Frequenz-Messungen erzielt, wenn eine Referenzstation verwendet wird, die mit einem Multi-Frequenz-Empfänger ausgestattet ist. Dieses Ergebnis ist sehr praktikabel, da im Feld mit kostengünstigen Ein-Frequenz-Empfängern gearbeitet werden kann, während als Referenzstation beispielsweise schon vorhandene SAPOS ® -Stationen genutzt werden können.