Hochfrequenz-Monitoring mit Low-Cost-GNSS als integraler Bestandteil multipler Sensorik
High-frequency Monitoring with Low-Cost GNSS as an Integral Component of Multiple Sensors Systems
Uwe Köster, Dennis Vollert, Albert Schnak
Dieser Beitrag evaluiert den Einsatz kostengünstiger GNSS sowie weiterer, multipler Sensorik, zum Teil auf Basis von Konsumelektronik, für den Einsatz im ingenieurgeodätischen Monitoring. Anhand von Laboruntersuchungen sowie dem Einsatz an einem ausgewählten Überwachungsobjekt werden diese Instrumente und Verfahren besonders in Hinblick auf eine Erfassung hochfrequenter Schwingungsvorgänge untersucht und mithilfe klassischer geodätischer Messverfahren validiert. Zum Einsatz kommen neue Messkonzepte auf Basis von kostengünstigen GNSS-Empfängern, die durch klassische, tachymetrische Methoden sowie Neigungs- und Beschleunigungssensoren verifiziert und gestützt werden. Für das ingenieurgeodätische Monitoring konnten kostengünstige GNSS-Messsysteme bisher nur zum Teil die hohen Genauigkeitsanforderungen im Submillimeterbereich erfüllen, wie sie zum Teil bei der Schwingungsanalyse kleinster Deformationen im Rahmen von Bauwerksüberwachungen notwendig sind. Diese Lücke kann durch den Einsatz von kostengünstigen GNSS-Mehrfrequenz-Empfängern in Verbindung mit der Erfassung, Speicherung und Vorauswertung der Messreihen mit dem Softwarepaket RTKLIB (Open Source Programmumgebung für GNSS-Positionierung), welches bisher in der Praxis wenig genutzt wird, geschlossen werden. Die Grundlage für die Auswertung der Messdaten liefern Werkzeuge der Zeitreihenanalyse, die es erlauben, periodische Schwingungsvorgänge in Amplitude und Frequenz aufzudecken. Anhand dieser Ergebnisse können Rückschlüsse auf das metrische Bewegungsverhalten des Bauwerks geschlossen werden. Die Aufdeckung und Analyse hochfrequenter Deformationen spielen beim Bauwerksmonitoring zunehmend eine wichtige Rolle. Hier sind beispielsweise Eigen- und Resonanzfrequenzen von Bauteilen und die dabei auftretenden Schwingungen die Zielgrößen. Mit diesen zumeist kontinuierlich durchgeführten Zustandsüberüberwachungen können schon frühzeitig mögliche Veränderungen vom Normalzustand erfasst und den daraus resultierenden Schäden entgegengesteuert werden.
This article evaluates the deployment of low-cost GNSS and further multiple sensors, some of which are based on consumer electronics, for use in engineering geodetic monitoring. Based on laboratory tests and an exemplary monitoring object, these instruments and methods are investigated, particularly with regard to the recording of high-frequency vibration processes, and validated using classic geodetic measurement methods. New measurement concepts based on low-cost GNSS receivers are applied, which are verified and supported by classical tachymetric methods as well as inclination and acceleration sensors. For engineering geodetic monitoring, low-cost GNSS have so far only been able to partially fulfil the high accuracy requirements in the sub-millimetre range, which are sometimes necessary for vibration analysis of the smallest deformations in the context of structural monitoring. This gap can be closed by using low-cost GNSS multi-frequency receivers in conjunction with the acquisition, storage and pre-evaluation of the measurement series using the RTKLIB software package (open source programme environment for GNSS positioning), which has been little used in practice to date. The basis for analysing the measurement data is provided by time series analysis tools, which make it possible to detect periodic oscillation processes in amplitude and frequency. Based on these results, conclusions can be drawn about the metric movement behaviour of the structure. Detecting and analysing high-frequency deformations is playing an increasingly important role in structural monitoring. Here, for example, the natural and resonant frequencies of components and the resulting vibrations are the target variables. With these usually continuous condition monitoring procedures, possible changes to the normal condition can be detected at an early stage and the resulting damage can be counteracted.
Schlüsselwörter: Monitoring, GNSS, Tachymeter, Zeitreihenanalyse, Low-Cost, FOSS, Open Source, Structural Health Monitoring, Ingenieurgeodäsie, Fast-Fourier-Transformation
Keywords: Monitoring, GNSS, tachymeter, time-series analysis, low-cost, FOSS, open source, structural health monitoring, engineering geodesy, Fast-Fourier Transformation
DOI: 10.14627/avn.2025.4.3
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