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Verbesserte SI Rückführbarkeit für ingenieurgeodätische Entfernungsmesssysteme mit geringer Messunsicherheit

20.12.2016

Muss die Eisenbahnbrücke wegen zu großer Vibrationen gesperrt werden? Besteht Gefahr, dass der Hang abrutscht? Können in einer ehemaligen Bergwerksregion neue Gebäude gebaut werden oder sinken die existierenden bereits ab? Geodäten führen Überwachungsmessungen durch, um solche Fragen fundiert beantworten zu können. Basis dieser Messungen sind Längenmessungen, durchgeführt entweder mit „klassischer“ optischer oder auf dem globalen Satellitennavigationssystem (engl. global navigation satellite system, GNSS) basierender Messtechnologie. Die Änderungen, die mit diesen Messungen über Jahre sicher detektiert werden sollen, liegen typischerweise in Größenordnungen von einigen Millimetern oder sogar noch darunter. Auf dieser Skala ist die metrologische Vergleichbarkeit von solchen Messergebnissen, oft durchgeführt von verschiedenen Messtrupps mit verschiedenen Geräten, nur schwer umzusetzen. Trends sind daher häufig nur in Zeitreihen über Jahrzehnte sicher identifizierbar. Im Rahmen des Europäischen Metrologie-Forschungs-Programms (EMRP) wurden im Projekt „Metrology for long distance surveying“ (SURVEYING) neue Verfahren entwickelt, um die Rückführbarkeit geodätischer Messungen auf die SI Definition des Meters mit deutlich geringerer Messunsicherheit zu ermöglichen.

Klassischerweise werden für die Verifikation und Kalibrierung geodätischer Entfernungsmessinstrumente Pfeilerstrecken mit rückgeführten Referenzstrecken verwendet. Die Rückführung dieser Strecken von bis zu einem Kilometer und Unsicherheiten deutlich unter einem Millimeter erfordert jedoch sehr genaue Kenntnis der Umweltparameter. So muss z.B. die effektive Temperatur für eine Genauigkeit von 0,1 mm bei einem Kilometer Länge mit einer Messunsicherheit von 0,1 K bestimmt werden. Dies ist in der Praxis mit klassischen Temperatursensornetzwerken nur bei sehr homogenen Bedingungen (Bewölkung und Abschattung) möglich. Im SURVEYING Projekt sind optische Verfahren entwickelt worden, die nun entsprechende Genauigkeiten erreichen. An der PTB wurde mit dem TeleYAG System ein Entfernungsmessinstrument entwickelt, welches die optische Pfadlänge mit zwei sehr gut bekannten Wellenlängen bestimmt (vgl. Abb. 1). Aus dieser Messung heraus kann dann zusammen mit einer relativ groben Abschätzung der relativen Feuchte (auf ca. 4 % genau) und dem bekannten Dispersionsmodell für Luft die „geometrische Länge“ mit entsprechender Genauigkeit bestimmt werden. Das TeleYAG-System wurde intensiv gegen klassische Referenzinstrumente sowie gegen das parallel in dem Projekt vom französischen Metrologie Institut Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) entwickelte TeleDiode-Messsystem (Abb. 1) verifiziert. Es kann nun als Primärnormal für die Kalibrierung geodätischer Referenzstrecken wie der 600 m Pfeilerstrecke der PTB eingesetzt werden. Im Rahmen des Projekts wurden auch alternative spektroskopische Verfahren zur in-situ Temperaturmessung und der Einfluss unvermeidbarer Turbulenzen auf die Messergebnisse untersucht.

 
Abb. 1. Messköpfe des TeleYAG Interferometers (links) und des TeleDiode Entfernungsmessinstruments (rechts) auf geodätischen Messpfeilern.

Darüber hinaus wurden auch grundlegend neue Messverfahren entwickelt, die sich die hervorragenden spektralen Eigenschaften von optischen Frequenzkämmen zur Darstellung der SI Einheit Meter für größere Distanzen zu Nutze machen sollen.

Im Bereich der GNSS-basierten Distanzmessung wurden Unsicherheitseinflüsse, die auf der Millimeterskala die Unsicherheit dominieren, separat untersucht und so weit wie metrologisch möglich quantifiziert. Es gab Messkampagnen zum Nahfeld- und Mehrwegeeinfluss von der Universität Bonn auf der Referenzstrecke der Universität der Bundeswehr in Neubiberg bei München, wie auch Kampagnen auf dem Gelände der PTB, bei denen die GNSS-Empfänger über Glasfasern mit einer einzigen gemeinsamen Uhr synchronisiert wurden („Common-clock GNSS“). Ferner wurden Studien an geodätischen Fundamentalstationen in Finnland und Schweden initiiert, die zur Verringerung der Messunsicherheit des weltweiten Referenzsystems von GNSS Diensten beitragen.

Für beide Messtechnologien konnten aus den Projektergebnissen Folgerungen und Handlungsempfehlungen abgeleitet werden, die die Unsicherheit geodätischer Messungen zu minimieren hilft und damit die Rückführbarkeit der Ergebnisse auf die SI Definition des Meters verbessert. Diese Empfehlungen wurden in sogenannten „Good Practice Guides“ zusammengefasst. Diese stehen auf der Webseite des Projekts unter http://www.ptb.de/emrp/2984.html und können heruntergeladen werden können.

Die Arbeiten wurden durch das Forschungsprojekt „Surveying“ (JRP SIB60) des European Metrology Research Programme (EMRP) gefördert. Dieses wird von den im Rahmen von EURAMET am EMRP teilnehmenden Ländern und der Europäischen Union gemeinschaftlich finanziert.

Weitergehende Informationen und Literaturverweise unter www.emrp-surveying.eu.

F. Pollinger et al., „JRP SIB60 „Metrology for Long Distance Surveying“ – a concise survey on major project results – “, Proc. 3rd Joint Int. Symp. on Deformation Monitoring, Vienna, March 30 – April 1, 2016, http://www.fig.net/resources/proceedings/2016/2016_03_jisdm_pdf/nonreviewed/JISDM_2016_submission_16.pdf