Bewegungsmessungen mittels GPS

Problemstellung

Zur Risikoabschätzung und Gefahrenabwehr kommt der Überwachung der Bewegung geologischer oder geotechnischer Strukturen (rutschgefährdete Hänge, Gletscher, Vulkane etc.) sowie Bauwerken und Infrastruktur-Einrichtungen (Dämme, Brücken, Gebäude, Pipelines etc.) in den kommenden Jahren eine immer größere Bedeutung zu. Neben der konventionellen, personal- und zeitintensiven Überwachung unter Einsatz einer Totalstation bietet sich der Einsatz eines GPS-gestützten Bewegungs-Überwachungssystems an.

Mittels eines Messstationsnetzes mit GPS-Empfängern, das über die zu überwachende Struktur verteilt ist, sowie einer zentralen Kontrolleinheit werden die 3D-Bewegungen der ein-zelnen Stationen automatisch erfasst und die Verrückungen relativ zu einer oder mehreren Referenzstationen (Änderung der Basislinienlängen) ermittelt. Die Genauigkeit liegt hierbei in Abhängigkeit von der Satellitenkonstellation und -performance, den ionosphärischen Bedingungen sowie weiterer Faktoren im Millimeter-Bereich.

Technik

Jede Messstation besteht aus einem Zwölfkanal-GPS-Empfänger mit integrierter Antenne, Speicher, Akku und Schnittstelle. Bei frei definierbarer Aufzeichnungsrate können die Werte von bis zu 100.000 Messungen intern gespeichert werden. Optional enthält die Station eine GSM- oder Funkanbindung sowie Schnittstellen für externe Sensoren (z.B. Temperatur, Feuchte, Gas, Schall, Druck, elektrischer Widerstand etc.) oder Aktoren.

Die Messstationen widerstehen auch extremen Umwelteinflüssen und arbeiten bei geringem Energieverbrauch über einen weiten Temperaturbereich.

Das System arbeitet nach der Installation und Konfiguration völlig autonom. Über die optionale GSM- oder Funkanbindung kann mit den einzelnen Messstationen kommuniziert werden (up- und download). Ereignisgesteuert kann eine Alarmierung ausgelöst oder über die optionale Aktorenanbindung beliebige externe Systeme aktiviert werden.

Optionen

Zusätzlich zur Basisversion sind optionale Komponenten erhältlich, die die Flexibilität des Systems deutlich erweitern.

Das System mit GSM-Option ist zusätzlich mit einem Dual-Band-Modul ausgerüstet, das die bidirektionale Datenübertragung vom Messsystem ins weltweite Telefonnetz ermöglicht. Hierbei sind drei Betriebsarten realisierbar:

  • Daten zu einer vorgegebenen Zeit senden
  • Daten bei einem vorgegebenen Ereignis senden
  • Datenübertragung nach Aufforderung

Bei der Übertragung können alle gespeicherten Daten und Konfigurationseinstellungen übermittelt werden. Bei Ereignisse wie z.B. Positionsänderungen, Erschütterungen, Signalwechsel an Digitaleingängen etc. kann automatisch eine SMS-Nachricht gesendet werden.

Das System mit Funk-Option ermöglicht zusätzlich die Übertragung der Koordinaten und anderer Daten per kostenloser Funkverbindung. Hierbei ist sowohl eine ‚online‘-Übertragung der Daten als auch ein ‚offline‘-Betrieb, bei dem Daten nach beliebigen Kriterien abgerufen bzw. versendet werden können, möglich.

Das System mit Option „externe Schnittstellen“ bietet zusätzlich zur Basisversion die Möglichkeit, analoge und digitale Daten auch synchron zu den GPS-Daten zu messen und zu speichern. Damit können Prozesse und Messwerte in Abhängigkeit der Position, Höhe oder Geschwindigkeit erfasst werden. Optional können im internen Speicher Punkte bzw. Schwellwerte programmiert werden, bei deren Erreichen beliebige externe Systeme (Aktoren) durch das Messsystem aktiviert werden.

Genauigkeit

Die Genauigkeit der Positionsdaten ist von mehrere Faktoren und Parametern abhängig, die einerseits systembedingt sind bzw. nicht durch den Benutzer beeinflusst werden können (z.B. die Satellitenkonstellation und -performance (DOP-Werte*)), die ionosphärischen Bedingungen, die Reproduzierbarkeit etc.), andererseits durch den Benutzer vorgegeben werden können (Anzahl Basislinien, Messrate etc.).

*) DOP: Dilution Of Precision – Maß für die GPS-Empfänger-Satelliten-Geometrie. Kleine DOP-Werte bedeuten eine bessere relative Geometrie und entsprechend höhere Genauigkeit.

Die erreichbare Genauigkeit lässt sich durch eine Erhöhung der Anzahl der Referenz-stationen und / oder durch die Erhöhung der Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit stei-gern.

Die Systemkonfiguration

Die Inbetriebnahme des Systems gliedert sich in zwei wesentliche Punkte:

Installation und Konfiguration der Messstationen

  • Name, Stationstyp (Ref, Mob), Art der Kommunikation (seriell, GSM, Funk)
  • Grobe xyz-Koordinate der Station
  • Angabe des Horizontes (eventuelle Sichteinschränkungen)

Planung und Konfiguration des Messablaufs

    • Festlegung des Messzeitplanes anhand der Stationspositionen, den individuellen Horizonten (s.o.) und dem GPS-Almanach
    • Startzeitpunkt
    • Messdauer
    • Messzeitintervall

Ergebnis

Nach Korrektur und Auswertung der Daten können die Ergebnisse in tabellarischer Form und / oder Ganglinien dargestellt werden. Hieraus lassen sich die Bewegungen der „mobilen Punkte“ in den drei Raumrichtungen im Verlauf der Registrierzeit ablesen.

Projektplanung

Jedes Projekt erfordert eine akribische Planung. Dabei muss stets geprüft werden, welches Messsystem für die jeweilige Fragestellung die wirtschaftlichste Lösung bietet. Unser Expertenteam steht Ihnen jederzeit gerne zur Verfügung. Monitoring erbringen wir in Kooperation mit unserer Tochterfirma, der arge mon-tec OHG (www.mon-tec.eu).