DE102017110992A1

DE102017110992A1 - Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern

Info

Publication number: DE102017110992A1
Application number: DE102017110992.7A
Authority: DE
Inventors: Franziska Koch; Wolfram Mauser; Florian Appel; Patrick Henkel
Original assignee: Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH
Current assignee: Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2017-12-28
Also published as: CH712623B1; DE102017110994A1; CH712623A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern einer auf einem Grund (G) angeordneten Schneedecke (S)), umfassend mindestens zwei Empfänger (4, 4') von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS-Signale); mindestens zwei Antennen (2, 2'), die befähigt sind, GNSS-Signale zu empfangen und an die jeweils zugeordneten wenigstens zwei Empfänger (4, 4') weiterzuleiten, mit denen sie jeweils einzeln verbunden sind; wobei eine Antenne (2) der mindestens zwei Antennen (2, 2') am Grund (G) unter der Schneedecke (S) fixiert ist und eine weitere Antenne (2') der mindestens zwei Antennen (2, 2') oberhalb der Schneedecke (S) fixiert ist und wobei die mindestens eine oberhalb der Schneedecke (S) fixierte Antenne (2') relativ zu der mindestens einen am Grund (G) fixierten Antenne (2), gemessen sowohl parallel zum Grund (G) (horizontal) als auch senkrecht zum Grund (G) (vertikal), definierte Abstände Dhor und Dver aufweist; mindestens eine wasserdichte Messeinheit (3), die einschließt: die mindestens zwei mit den mindestens zwei Antennen (2, 2') einzeln verbundenen Empfänger (4, 4') von GNSS-Signalen, ein Berechnungs-Modul (5) und mindestens einen Teil einer Energieversorgung (6); wobei die mindestens zwei Empfänger (4, 4') befähigt sind, die von den mindestens zwei Antennen (2, 2') empfangenen GNSS-Signale zu dekodieren, zu verarbeiten und so Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen bereitzustellen und die Messdaten mindestens an das Berechnungsmodul (5) zu übergeben; und wobei das Berechnungsmodul (5) befähigt ist, Verfahren zur Bestimmung der relativen Position der Antennen (2, 2') sowie von Schneeparametern der Schneedecke (S) anhand der Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen zu implementieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern mithilfe von Empfängern und Antennen, die Mikrowellensignale von einem oder mehrerer globalen Systeme von Navigationssatelliten (Global Navigation Satellite System, GNSS) aufzeichnen und verarbeiten.
Gemäß der Erfindung umfasst der Begriff „Schneeparameter” wenigstens das Schneewasseräquivalent („snow water equivalent”; SWE) einer Schneedecke das die gesamte in der Schneedecke in vertikaler Richtung in flüssiger und fester Form gespeicherte Wasser beschreibt, die Schneehöhe („height of snow”; HS) einer Schneedecke in vertikaler Richtung und die Schneefeuchte (Anteil des flüssigen Wassers in der Schneedecke; „liquid water content”, LWC) einer Schneedecke in vertikaler Richtung. Der Begriff Schneedecke bezeichnet dabei die lokale Ausprägung des Vorhandenseins von Schnee an einem Ort. Die von der Vorrichtung bestimmten Schneeparameter werden dabei für den Bereich in der Schneedecke, der durch sämtliche Navigationssatellitensignale durchdrungen wird, als homogen angenommen.
Stand der Technik mit Fundstellen
Die Bestimmung von Schneeparametern ist die Grundlage zur Kenntnis der in der Schneedecke gespeicherten Wassermenge (z. B. Anwendung in der Hydrologie, Hochwasservorhersage, Wasserkraftgewinnung), der vorherrschenden Schneehöhe (z. B. Anwendung im Bereich Verkehr und Tourismus, in der Ökologie und Katastrophenschutz) und des in der Schneedecke vorhandenen flüssigen Wassers (z. B. Anwendung im Bereich Wissenschaft und Lawinenwarnung). Die Bestimmung der Schneeparameter wird von Wissenschaftlern, Meteorologen, Klimatologen, Hydrologen, Technikern, Ingenieuren, öffentlichen Institutionen und kommerziellen Unternehmen nachgefragt und durchgeführt.
Es ist bekannt, dass die Schneeparameter Schneewasseräquivalent (SWE) und Schneehöhe (HS) im Rahmen von in situ – Verfahren unter anderem mit operationellen Messgeräten kontinuierlich erfasst werden können.
So kann beispielsweise die Schneehöhe anhand einer Messung des Abstands zwischen einem mit festem Abstand über dem Grund und jedenfalls oberhalb der Schneedecke installiertem Sensor und der Oberfläche der Schneedecke mit Laser- oder Ultraschallsensoren optisch oder akustisch gemessen werden [1]. Der von einer solchen Anordnung gemessene Parameter „Schneehöhe” ist umso größer, je geringer der Abstand zwischen dem mit festem Abstand über Grund angeordneten Sensor und dem Sensor/den Sensoren an der Schneeoberfläche ist.
Das Schneewasseräquivalent kann z. B. mittels Schneekissen bzw. Schneewaagen [z. B. 2] mechanisch erfasst werden. Diese benötigen allerdings große Flächen, je nach Hersteller beispielsweise Flächen von ca. 6 bis 10 m² und sind beschränkt auf flaches Gelände und solide Instrument-Aufbauten. Messungen des Schneewasseräquivalents dieses Standes der Technik haben z. T. den Nachteil des Auftretens großer Messfehler durch Brückeneffekte im Schnee, vor allem dann, wenn die Schneebedingungen von trockenem Schnee zu feuchtem Schnee wechseln [3].
Anhand manueller Messungen/Geländekampagnen kann das Schneewasseräquivalent sehr präzise mit Stechzylindern in Schneeprofilen gemessen werden. Dies ist allerdings sehr Zeit- und Personal-aufwändig. Es erfordert gut erreichbare Schneeflächen und kann aus Sicherheitsgründen nicht an lawinengefährdeten Hängen durchgeführt werden. Zudem handelt es sich bei dieser Messmethode um eine destruktive und daher nicht reproduzierbare Messmethode: Beim Entnehmen des Schneeprofils mittels der Stechzylinder wird die Schneedecke irreversibel gestört. In der Folge kann es zu Verfälschungen der Messungen kommen.
Zur Ermittlung der Schneefeuchte existieren bislang keine operationellen, kontinuierlichen, die Schneedecke im Aufbau nicht beeinflussenden, oder nicht destruktiven Methoden. Zu den destruktiven Methoden zählen z. B. die dielektrischen Methoden Denoth-Meter [4] und Snow-Fork [5]: Bei meist manuellen Messungen/Geländekampagnen wird in Schneeprofilen die Feuchte einzelner Schneeschichten ermittelt. Diese Messungen nach aus dem Stand der Technik bekannten Methoden leiden – wie auch die vorstehend beschriebenen destruktiven Methoden der Messung des Schneewasseräquivalents – an dem Nachteil, dass sie in die „Struktur” der natürlich oder künstlich aufgeschneiten oder aufgebrachten Schneedecke irreversibel eingreifen, so dass die Messung nie unter exakt gleichen Bedingungen wiederholt werden kann.
Erste kontinuierliche Aufnahmen zur Schneefeuchte wurden mittels sogenannter „Schneebänder” eines aus mehreren Sensoren bestehenden „Snow Pack Analyzers” [6] oder unter Anwendung von aus der Bodenkunde bekannten „Time Domain Reflectometry (TDR)” – Sonden gewonnen [z. B. 7, 8]. Allerdings störten bei Anwendung dieser Methoden der Messung von Schneefeuchten z. T. Wasseransammlungen bzw. Wasserflüsse an den in der Schneedecke platzierten Messgeräten die Gewinnung der Messwerte, was zu Messfehlern führte. Es bestand der Wunsch, dies durch eine andere Mess-Methodik zu verbessern.
Anhand von in situ – Radargeräten konnte die Schneefeuchte unter Hinzunahme anderer Messungen bzw. Annahmen kontinuierlich ermittelt werden (z. B. [9], [10]). Allerdings sind diese Geräte sehr teuer und werden daher bislang nicht operationell eingesetzt. Durch die Kombination von GNSS-Signalstärkemessungen unter einer Schneedecke mit Angaben anderer Sensoren zur Schneehöhen [11] oder Laufzeitinformationen von elektromagnetischen Wellen in der Schneedecke [12] konnten Schneefeuchtedaten bereits mithilfe von kostengünstigen GNSS-Sensoren kontinuierlich und nicht-destruktiv erfasst werden.
Allerdings war es bislang noch nicht möglich, mehrere Schneeparameter (Schneewasseräquivalent, Schneehöhe und Schneefeuchte) mit lediglich einem GNSS-Sensorsystem parallel zu messen.
Die vorstehenden Ausführungen berufen sich auf folgenden Stand der Technik:

[1] Sommer Mess-Systemtechnik, Snow depth sensor USH-8, 2016, URL: http://www.sommer.at/en/products/snow-ice/snow-depth-sensor-ush-8 (abgerufen am 13.12.2016).
[2] Sommer Mess-Systemtechnik, Schneewaage SSR, 2016, URL: http://www.sommer.at/de/produkte/dachlastmessung/schneewaage-ssr (abgerufen am 13.12.2016).
[3] J. B. Johnson, and D. Marks, The detection and correction of snow water equivalent pressure sensor errors, Hydrological Processes, 16(8), 3529–3542, 2004.
[4] A. Denoth, Snow dielectric measurements, Advances in Space Research, 9(1), 233–243, 1989.
[5] A. Sihvoli, and M. Tiuri, Snow fork for field determination of the density and wetness profiles of a snow pack, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 24(5), 717–721, 1986.
[6] Sommer Mess-Systemtechnik, Snow Pack Analyzer (SPA) zur Bestimmung des Schneewasseräquivalents und des Flüssigwasseranteils, 2016, URL: http://www.sommer.at/en/products/snow-ice/snow-packanalyser-spa (abgerufen am 13.12.2016).
[7] M. Schneebeli, C. Coléou, F. Touvier, and B. Lesaffre, Measurement of density and wetness in snow using time-domain reflectometry, Annals of Glaciology, 26, 69–72, 1998.
[8] A. Lundberg, Laboratory calibration of TDR-probes for snow wetness measurements, Cold Regions Science and Technology 25.3, 197–205, 1997.
[9] L. Schmid, A. Heilig, C. Mitterer, J. Schweizer, H. Maurer, R. Okorn and O. Eisen, Continuous snowpack monitoring using upwardlooking ground-penetrating radar technology, Journal of Glaciology, 60(221), 509–525, 2014.
[10] J. H. Bradford, J. T. Harper, and J. Brown, Complex dielectric permittivity measurements from ground-penetrating radar data to estimate snow liquid water content in the pendular regime, Water Resources Research, 45, W08403, 2009.
[11] F. Koch, M. Prasch, L. Schmid, J. Schweizer, and W. Mauser, Measuring snow liquid water content with low-cost GPS receivers, Sensors, 14(11), 20975–20999, 2014.
[12] L. Schmid, F. Koch, A. Heilig, M. Prasch, O. Eisen, W. Mauser and J. Schweizer, A novel sensor combination (upGPR-GPS) to continuously and nondestructively derive snow cover properties, Geophysical Research Letters, 42(9), 3397–3405 2015.

Aufgabe und Zielsetzung
Im Rahmen der Arbeiten zur vorliegenden Erfindung stellte sich heraus, dass sich die erforderlichen Parameter bisher bei Festhalten an der Zielsetzung, die genannten (und weitere) Parameter einer Schneedecke mit dem Ziel der Ermittlung zuverlässiger Daten zu messen, durch den Einsatz von Fernerkundung-Methoden mittels Satelliten-getragener, Flugzeug-getragener oder Drohnen-getragener Sensoren nicht in der gewünschten Qualität und zeitlichen Auflösung messen lassen.
Zudem sind bestimmte Messmethoden nicht in allen Regionen anwendbar oder sind nur unter erheblichem technischem Aufwand – beispielsweise bei Schwierigkeiten des Zugangs zu für eine Messung gewünschten Gebieten – durchzuführen.
Um Messungen zum Erhalt der oben genannten – und weiterer – Parameter der Schneedecke, möglichst an jedem beliebigen Punkt der Schneedecke, zu erhalten, ist der Einsatz von Sensoren vor Ort, die einzeln oder kontinuierlich messen, das aus technischer Sicht verlässlichste Mittel. Denn zur Bestimmung von Schneeparametern in hydrologisch kritischen Regionen sind punktuelle Stationsmessungen allen anderen Methoden überlegen. Die automatische und sichere Bestimmung des Zustands der Schneedecke – und damit auch der Schneeparameter – an jedem beliebigen Ort ist daher die bevorzugte Vorgehensweise, die auch die zur Ermittlung der Messwerte bestimmte Vorrichtung bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern mit Hilfe von Mikrowellensignalen von Navigationssatelliten (GNSS) bereitzustellen, die aus möglichst wenigen Komponenten besteht, leicht transportabel ist und mit geringem Aufwand aufgebaut, installiert und betrieben werden kann und deren Messergebnisse sich über ein einfaches, idealerweise über ein bestehendes Kommunikations-Netzwerk senden und empfangen lassen. Die Schneeparameter sollten wenigstens das Schneewasseräquivalent (SWE), die Schneehöhe (HS) und die Schneefeuchte (LWC) umfassen.
Ein entsprechendes Messverfahren wird in einer parallel eingereichten Patentanmeldung der Erfinder der vorliegenden Erfindung mit Titel „Verfahren zum Bestimmen von Schneeparametern” beschrieben und beansprucht.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung zum Messen von Schneeparametern nach Patentanspruch 1.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 beansprucht. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Messen von Schneeparametern umfasst mindestens zwei Empfänger von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS) und umfasst weiter mindestens zwei Antennen, die jede getrennt für sich an den Antennen zugeordneten Empfängern angeschlossen sind. Die mindestens zwei Antennen sind befähigt, Mikrowellensignale von Navigationssatelliten (GNSS) zu empfangen. Mindestens eine Antenne ist am Grund unter der Schneedecke fixiert, und mindestens eine weitere Antenne ist in beliebiger Höhe oberhalb der Schneedecke fixiert. Dabei weist die mindestens eine oberhalb der Schneedecke fixierte Antenne relativ zu der mindestens einen am Grund fixierten Antenne definierte Abstände D_hor und D_ver auf, gemessen sowohl parallel zum Grund (also in horizontaler Richtung) als auch senkrecht zum Grund (also in vertikaler Richtung). Die Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern gemäß der Erfindung umfasst weiter mindestens eine wasserdichte Messeinheit, die die mindestens zwei mit den mindestens zwei Antennen einzeln verbundenen Empfänger von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten und weiter ein Berechnungs-Modul und mindestens einen Teil einer Energieversorgung einschließt. Dabei sind die mindestens zwei Empfänger befähigt, die von den mindestens zwei Antennen empfangenen Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) zu dekodieren, zu verarbeiten und so Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen bereitzustellen und die Messdaten mindestens an das Berechnungsmodul zu übergeben. Weiter ist das Berechnungsmodul befähigt, Verfahren zur Bestimmung der relativen Position der Antennen sowie von Schneeparametern der Schneedecke anhand der Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen zu implementieren.
Vorteile der Lösung
Durch den oben angegebenen und nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern wird zum einen eine Vereinfachung der Bestimmung der Schneeparameter ermöglicht. Dabei können regional und sogar global beliebig viele Punkte zur Messung von Werten, die eine Bestimmung von Schneeparametern ermöglichen, ohne Einschränkung auf bestimmte Regionen, etabliert werden. Da die zur Bestimmung benutzten Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) weltweit und ständig und ohne Kosten für den Anwender zur Verfügung stehen, kann fast an jedem Punkt der Erde kontinuierlich gemessen und die Bestimmung der Schneeparameter durchgeführt werden.
Zum Zweiten können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die drei Schneeparameter Schneewasseräquivalent (SWE), Schneehöhe (HS) und Schneefeuchte (LWC) allesamt mit einer Vorrichtung bestimmt werden. Dies war bisher noch nicht möglich.
Weitere mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erzielbare Vorteile bestehen darin, dass von einem kostengünstigen Sensor (Kosten für die Hardware signifikant kleiner als gegenwärtige Lösungen), nämlich einer Mehrzahl von preiswerte GNSS-Antennen und mit diesen verbindbaren Empfängern, Gebrauch gemacht wird. Die Antennen können die überall verfügbaren Signale mit hoher Genauigkeit empfangen. Mit kostengünstiger Hardware (Prozessoren aus dem Bereich „Consumer Electronic”), können die empfangenen Signale einfach weiterverarbeitet, gegebenenfalls gespeichert oder über Kommunikationsmodule weltweit kommuniziert und zur Bestimmung von Schneeparametern verwendet werden. Dies ermöglicht eine breite Anwendung, z. B. in dicht errichteten Stations-Netzwerken eines hydrologischen Einzugsgebietes.
Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern in kleine und leicht transportable Einheiten zerlegbar ist. Sie lässt sich daher – wenn erforderlich – selbst mit Menschenkraft (z. B. im Rucksack) transportieren und kann von Geübten leicht und zügig aufstellen. Dies sind ideale Voraussetzungen für eine Installation auch in von Straßen entferntem und gegebenenfalls unwegsamem Terrain.
Des Weiteren bedarf die Vorrichtung keines großen Installations- und Wartungsaufwands. Hinsichtlich Stromversorgung, Kommunikations- und Speichereinheit sowie Mastsystem ist die Vorrichtung an die örtlichen Gegebenheiten anpassbar.
Die Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren, die auch bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, und die weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung näher erläutert, aus der der Fachmann weitere Einzelheiten zur Erfindung allgemein und zu deren bevorzugten Ausführungsformen im Besonderen entnehmen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten und/oder beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt.
In den Figuren zeigen:
1 ein Schema der grundsätzlichen räumlichen Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern; und
2 ein Schema zur Darstellung der funktionellen Verbindung verschiedener Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern.
Detaillierte Erläuterung zu den Ansprüchen/Technische Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern einer auf einem Grund G angeordneten Schneedecke S.
Der Begriff Schneeparameter, wie er in der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, bezieht sich allgemein auf alle physikalischen Parameter von Schnee, die einer Bestimmung für hydrologische, meteorologische, klimatologische, ökologische und ökonomische, sowie im Sinne der Sicherheit (Hochwasser, Lawinen) notwendige Zwecke, zugänglich sind. Dies schließt allgemein Parameter wie Schneehöhe, Schneemächtigkeit, Beschneiungsgrad, Schneewasseräquivalent, Schneefeuchte und weitere Schneeparameter ein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff Schneeparameter vornehmlich die Parameter Schneewasseräquivalent („snow water equivalent”; SWE) einer Schneedecke bezeichnet, die das gesamte in der Schneedecke in vertikaler Richtung in flüssiger und fester Form gespeicherte Wasser beschreibt, die Schneehöhe („height of snow”; HS) einer Schneedecke in vertikaler Richtung und die Schneefeuchte (Anteil des flüssigen Wassers in der Schneedecke; „liquid water content”, LWC) einer Schneedecke in vertikaler Richtung.
Es wird nachfolgend auf die 1 und 2 Bezug genommen, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen. Dies soll unter anderem einem besseren, vollständigen Verständnis der Erfindung dienen, jedoch die Erfindung nicht auf die in den Figuren gezeigten und nachfolgend weiter beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränken.
Ein Schema der grundsätzlichen räumlichen Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern ist in 1 ersichtlich. Ein (aus beliebigem natürlichen oder künstlichen Material bestehender) Grund G ist auf seiner dem Himmel zugewandten Oberfläche mit einer Schneedecke S beschneit (worden) und daher mit der Schneedecke S bedeckt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern einer Schneedecke S, die auf dem Grund G angeordnet ist, umfasst mindestens zwei Empfänger 4, 4' von Mikrowellensignalen von Navigationssatelliten (GNSS), mindestens zwei Antennen 2, 2' und mindestens eine Messeinheit 3.
2 zeigt im Einzelnen, wie die verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern funktionell während des Prozesses der Schneeparameter-Bestimmung verbunden sind.
Grundsätzlich ist dem Fachmann geläufig und bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Diskussion, dass die Empfänger einer derartigen Vorrichtung jeweils einer Antenne zugeordnet sind und daher die Zahl der Empfänger der erfindungsgemäßen Vorrichtung in aller Regel der Zahl der für den Empfang von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS) befähigten Antennen entspricht. Dies ist jedoch nicht zwingend, und die Zahl der Empfänger 4 kann grundsätzlich von der Zahl der Antennen 2 abweichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern umfasst mindestens zwei Empfänger 4, 4' von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS). Die Zahl der Empfänger 4, 4' kann daher 2, 3, 4 oder sogar noch höher sein, wenn dies dem erfindungsgemäßen Zweck, der Bestimmung von Schneeparametern, dienen kann. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, ist die Zahl der Empfänger zwei oder drei. Noch weiter bevorzugt ist die Zahl der Empfänger 4, 4' zwei.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern umfasst mindestens zwei Antennen 2, 2'. Die Zahl der Antennen 2, 2' kann daher 2, 3, 4, 5 oder sogar noch höher sein, wenn dies dem erfindungsgemäßen Zweck, der Bestimmung von Schneeparametern, dienen kann. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, ist die Zahl der Antennen 2, 2' zwei oder drei oder vier. Noch weiter bevorzugt ist die Zahl der Antennen 2, 2' zwei oder drei.
Erfindungsgemäß ist jeweils eine Antenne der mindestens zwei Antennen 2, 2' einzeln mit jeweils einem Empfänger der mindestens zwei Empfänger 4, 4' Signal-leitend verbunden.
Erfindungsgemäß sind die mindestens zwei Antennen 2, 2', vorzugsweise die zwei Antennen 2, 2', befähigt, Mikrowellen-Signale, die von Navigationssatelliten ausgesendet werden, zu empfangen. Die Antennen sind weiter befähigt, über die Signal-Leitungen die empfangenen Mikrowellen-Signale an den jeweils ihnen zugeordneten und mit ihnen verbundenen Empfänger 4, 4' weiterzuleiten.
Erfindungsgemäß ist in der Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern eine Antenne 2 der mindestens zwei Antennen 2, 2' am Grund G unter der (d. h. innerhalb der) Schneedecke S angeordnet und fixiert, wie aus dem Schema von 1 ersichtlich ist. Von Navigationssatelliten ausgesandte Mikrowellen-Signale erreichen also die unter der Schneedecke angeordnete Antenne 2 nur nach Durchtreten/Durchlaufen durch eine mehr oder weniger dicke Schicht auf dem Grund G aufliegenden Schnees. Weiter ist erfindungsgemäß eine weitere Antenne 2' der mindestens zwei Antennen 2, 2' oberhalb der Schneedecke S angeordnet und fixiert. Von Navigationssatelliten ausgesandte Mikrowellen-Signale erreichen also die oberhalb der Schneedecke angeordnete Antenne 2', ohne dass die Signale eine Schneeschicht passieren müssen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, kann der Abstand der mindestens einen oberhalb der Schneedecke S angeordneten bzw. fixierten Antenne 2' zum Grund G variiert werden. Die Variabilität des Abstands und die Anbringung der mindestens einen Antenne 2' zum Grund G werden nachfolgend noch weiter erläutert. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, ist der größte Wert des Abstands der Antenne zum Grund G bestimmt durch die an einem konkreten Ort zu erwartende maximale Höhe der zu vermessenden Schneedecke S.
Erfindungsgemäß weist die mindestens eine oberhalb der Schneedecke S angeordnete bzw. fixierte Antenne 2', relativ zu der mindestens einen am Grund G fixierten Antenne 2, gemessen sowohl parallel zum Grund G, also in horizontaler Richtung, als auch senkrecht zum Grund G, also in vertikaler Richtung, jeweils einen definierten Abstand D_hor bzw. D_ver auf. Mit anderen Worten: Sowohl in horizontaler Richtung parallel zum Grund G als auch in vertikaler Richtung senkrecht zum Grund G sind die mindestens zwei Antennen 2, 2' um jeweils einen definierten Abstandswert beabstandet.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, liegen die Werte der Abstände zwischen den mindestens zwei Antennen 2, 2' in den Bereichen 1 m ≤ D_hor ≤ 5 m, vorzugsweise 2 m ≤ D_hor ≤ 4 m, und 1 m ≤ D_ver ≤ 10 m, vorzugsweise 3 m ≤ D_ver ≤ 5 m. Dies sind jedoch bevorzugte Werte, ohne dass die Erfindung auf diese Werte beschränkt ist.
Die Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern einer auf einem Grund G angeordneten Schneedecke S umfasst weiter eine wasserdichte Messeinheit 3 (siehe 1). Diese schließt erfindungsgemäß mindestens ein: die mit den mindestens zwei Antennen 2, 2' einzeln verbundenen mindestens zwei Empfänger 4, 4' von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten, ein Berechnungs-Modul 5 und mindestens einen Teil einer Energieversorgung 6.
Dabei sind die mindestens zwei Empfänger 4, 4' befähigt, die von den mindestens zwei Antennen 2, 2' empfangenen Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) zu dekodieren, zu verarbeiten und so Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen bereitzustellen und die Messdaten mindestens an das Berechnungsmodul weiterzuleiten bzw. zu übergeben. Das Berechnungsmodul 5 ist seinerseits erfindungsgemäß befähigt, die Messdaten von den mindestens zwei Empfängern 4, 4' entgegenzunehmen und mit den Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen die relativen Positionen der mindestens zwei Antennen 2, 2' zu bestimmen sowie sie Schneeparameter zu ermitteln.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, umfasst das Berechnungsmodul 5 innerhalb der wasserdichten Messeinheit 3 zur Bestimmung der Schneeparameter aus den vorgenannten Messdaten eine Prozessoreinheit 5a, die befähigt ist zur Berechnung der Schneeparameter der Schneedecke S aufgrund von auf ihr geladener Software (Software A); einen Mikroprozessor 5b, der zur Steuerung von Messzyklen variabler Zeitdauer befähigt ist (mittels Software B); und eine Wandler-Schaltung 5C zum Wandeln der variablen Eingangsspannung.
Um eine Berechnung der Schneeparameter der Schneedecke S durchzuführen, werden nach Abschluss der Messungen, gesteuert vom Mikroprozessor 5b anhand der auf ihm geladenen Software B, die Messdaten (Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen), die mittels der Empfänger 4, 4' und der damit verbundenen Antennen 2, 2' aufgezeichnet wurden, der Prozessoreinheit 5a zugeführt.
Pseudorange-Messungen ermitteln die Laufzeit eines Signals zwischen einem ein Signal emittierenden Satelliten und einem das Signal empfangenden Empfänger bzw. einer das Signal empfangenden Antenne, gemessen mit der Uhr der das Signal empfangenden Antenne. Der Wert der Signal-Laufzeit, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, ergibt die Pseudorange oder Pseudo-Entfernung zwischen dem Satelliten und der das Signal empfangenden Antenne bzw. dem Empfänger. Vorliegend wird die Pseudorange für beide Antennen bzw. Empfänger ermittelt.
Trägerphasen-Messungen ermitteln die Trägerphase, die die Schwingungslage des sinusförmigen Trägersignals an der Antenne beschreibt. Die Trägerphase ist zeitabhängig und ortsabhängig.
Signalstärke-Messungen ermitteln die Signalstärke, d. h. das Verhältnis von durch die Antenne empfangener Signalleistung zur Rauschleistung (C/N₀). Die Signalleistung wird im Regelkreis (tracking loop) des Empfängers bestimmt.
Die Schneeparameter werden in einem Messverfahren bestimmt, in dem die vorliegenden Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen verwendet werden, aufgeteilt in eine Initialisierungsphase und eine Messphase. Die Initialisierungsphase beschreibt den Zustand der Vorrichtung (Absolut- und Relativ-Positionen der Antennen) vor dem Auftreten einer Schneedecke. Die Initialisierungs-Messung wird vor dem Auftreten einer Schneedecke und damit den eigentlichen Messzyklen durchgeführt und im Rechner abgelegt. Anhand der in der eigentlichen Messphase (also bei Vorhandensein einer Schneedecke) bestimmten Messwerte werden die Schneeparameter direkt berechnet.
Dieses Messverfahren wird in der parallel eingereichten Patentanmeldung der Erfinder der vorliegenden Erfindung mit dem Titel „Verfahren zum Bestimmen von Schneeparametern” beschrieben und beansprucht.
In der Prozessoreinheit 5a werden die Messdaten mittels einer Software (Software A) in die genannten Schneeparameter überführt und werden danach dem Kommunikationsmodul 5d zugeleitet.
Die in dieser Software A ablaufenden Schritte des Messverfahrens werden in der parallel eingereichten Patentanmeldung der Erfinder der vorliegenden Erfindung mit dem Titel „Verfahren zum Bestimmen von Schneeparametern” beschrieben und beansprucht.
Die zur Steuerung der Messzyklen geladene und eingesetzte Software B umfasst die Vorgabe, zu welchem Zeitpunkt und für welche Dauer die Messungen durchgeführt werden und welche Verarbeitungsschritte in der Prozessoreinheit 5a und der auf ihr geladenen Software A im Anschluss durchgeführt werden. Die Messzyklen können einer festen zeitlichen Vorgabe zu Aufnahmezeitpunkt und Dauer folgen und/oder können einer variablen diesbezüglichen Vorgabe folgen. Variable Messzyklen können vom Zustand der Stromversorgung (ausreichende Kapazität für Messung und Berechnung), der Tageszeit und Vorgaben bezüglich der räumlichen Konstellation der Navigationssatelliten beeinflusst werden.
Durch die Verbindung des Mikroprozessors 5b als Teil des Berechnungsmoduls 5 mit der Kommunikationseinheit 5d wird ermöglicht, dass die Software von außen gewartet und geändert werden kann.
Die im Berechnungsmodul 5 integrierte Wandler-Schaltung 5c ermöglicht es, die mit der Energieversorgung bereitgestellte Spannung auf den für die Prozessoreinheit 5a und den Mikroprozessor 5b angemessenen Werts zu regeln und diesen Wert konstant bereitzustellen. In der Praxis liegt die durch die Solarzelle 6a und die Batterie 6b vorgehaltene elektrische Gleichspannung über derjenigen der elektronischen Bauteile (Halbleiter und Prozessoren), so dass eine diesbezügliche Anpassung und Regelung durch die Wandler-Schaltung 5c erforderlich ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Form der Energieversorgung (Solarzelle, Batterie) beschränkt, sondern kann stattdessen oder zusammen damit auch andere Formen der Energieversorgung vorsehen, wie beispielsweise (ohne Beschränkung) Versorgung durch Gleichstrom- oder Wechselstromnetze, Wind-betriebene Generatoren oder Brennstoffzellen.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, umfasst der Mikroprozessor 5b des Berechnungsmoduls 5 eine Echtzeituhr zur Steuerung von Messzyklen, die ihn befähigt, die Empfänger 4, 4' von Satellitensignalen und gegebenenfalls das Kommunikationsmodul 5d auszuschalten oder in einen energiesparenden Modus zu versetzen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, umfasst das Berechnungsmodul 5 innerhalb der wasserdichten Messeinheit 3 weiter eine Schnittstelle für den Anschluss eines Speichermoduls (5d) und/oder eine Schnittstelle für den Anschluss eines Kommunikationsmoduls (5e). Dabei ist weiter bevorzugt ein Speichermodul (5d) befähigt zur permanenten Speicherung von vom Berechnungsmodul (5) berechneten Schneeparametern und/oder von Systemparametern, wobei es sich bei den Systemparametern noch weiter bevorzugt um Parametern wie Angaben von Zeiten, Betriebstemperaturen und Strom- bzw. Spannungs-Werten der Vorrichtung (1) und/oder um von den Empfängern (4, 4') dekodierte und verarbeitete Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) handeln kann. Ebenfalls weiter bevorzugt ist ein Kommunikationsmodul (5e) befähigt zum Aufbau von temporären oder permanenten Verbindungen über terrestrische und/oder satelliten-basierte Übertragungswege und/oder zur Übermittlung von berechneten und gegebenenfalls gespeicherten Schneeparametern und Systemparametern und/oder dekodierten und verarbeiteten Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS).
Es entspricht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden kann, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, dass das Kommunikationsmodul 5d weiter eine Schnittstelle für den Anschluss an eine weitere Antenne 2'' aufweist, die zur terrestrischen und/oder satelliten-basierten Übertragung von Schneeparametern und Systemparametern befähigt ist, was die Übermittlung der genannten Parameter über einen getrennten Kanal erleichtert, wenn nicht erst ermöglicht. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden kann, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, ist die weitere an das Kommunikationsmodul 5d anschließbare, für Kommunikationszwecke vorgesehene Antenne 2'' in die oberhalb der Schneedecke S angeordnete und fixierte Antenne 2' integriert. So ermöglicht sie eine gesicherte Kommunikation der ermittelten Schneeparameter und der Systemparameter über terrestrische und/oder satelliten-basierte Verbindungen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, umfasst die Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern weiter eine eigenständige Versorgung 6 mit Energie, vorzugsweise mit elektrischer Energie. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen umfasst die eigenständige Energieversorgung 6 mindestens eine Solarzelle 6a für die Erzeugung von Solarstrom, die aus naheliegenden Gründen (Erreichbarkeit für Sonnenlicht und Tageslicht) oberhalb der Schneedecke S angeordnet und fixiert ist; eine Batterie 6b zur Speicherung des von der Solarzelle 6a erzeugten Solarstroms, wobei die Batterie 6b vorzugsweise austauschbar ist. Die Batterie ermöglicht vorteilhafterweise einen Betrieb der Vorrichtung 1 bei einer für die Erzeugung von Solarstrom ungünstigen Witterung, wie beispielsweise bei Nacht, bei dichter Bewölkung, in Fällen, in denen die Solarzelle 6a mit Schnee bedeckt ist, usw.; und eine Steuerung zum Laden der Batterie 6b mit Solarstrom, welche einen primären Laderegler 6c umfasst. Die Steuerung dient weiter einem Schutz der Batterie 6b vor Tiefenentladung und regelt die primäre Energieversorgung des Berechnungsmoduls 5.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, umfasst die Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern weiter ein vorzugsweise transportables Mastsystem 7, wie auch in 1 gezeigt. Dem Fachmann sind derartige Mastsysteme als solche bekannt. Der Fachmann kann also ein solches Mastsystem den Gegebenheiten entsprechend für die vorliegenden Zwecke des Baus einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Schneeparametern aus vorhandenen Systemen auswählen. Weiter bevorzugt ist das vorteilhafterweise transportabel ausgelegte Mastsystem 7 befähigt, als Träger der über der Schneedecke S angeordneten mindestens einen Antenne 2', und/oder weiter bevorzugt als Träger der weiteren Antenne 2'', und/oder noch weiter bevorzugt als Träger für die Solarzelle 6a zu dienen. Mittels des Mastsystems 7 ist es also nicht nur möglich, den Abstand der mindestens einen über der Schneedecke S angeordneten Antenne 2', relativ zu der mindestens einen am Grund G angeordneten Antenne 2, variabel zu gestalten und auch unterschiedlich zu erwartenden Schneehöhen anzupassen, sondern auch die Position der zur Kommunikation des Kommunikationsmoduls 5d dienenden Antenne 2'' so einzustellen, dass sie in jedem Fall frei von Beeinflussung durch die Schneedecke S bleibt. Gleiches gilt für die Anbringung der Solarzelle 6a: Wird auch diese an dem Mastsystem 7 befestigt, wie in 1 schematisch gezeigt, verringert sich die Gefahr, dass die Schneedecke S die Erzeugung von Solarstrom zum Betrieb der Vorrichtung und zum Aufladen der Batterie 6b behindert.
Dem Fachmann bekannt und daher erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind Mastsysteme 7, die zerlegbar sind und aus Rohren bestehen, die befähigt sind, vertikal und horizontal fluchtend montiert zu werden, um so nicht nur ein stabiles Trägersystem für die vorstehend genannten (und weitere) Zwecke zu bilden, sondern auch zu erlauben, dass Kabel für den Anschluss von und die Verbindung zwischen den verschiedenen Komponenten der Vorrichtung in das Rohrinnere integriert und durch die verbundenen Rohre von Komponente zu Komponente geführt werden. So lassen sich beispielsweise Kabel zwischen der Stromversorgung 6 und deren Komponenten (Solarzelle 6a, Batterie 6b, Laderegler 6c) und den Energie benötigenden Komponenten der Vorrichtung (Antennen 2, 2', 2''; Empfänger 4, 4'; Berechnungsmodul 5 und dessen Komponenten Prozessoreinheit 5a, Mikroprozessor 5b, Wandler 5c, Speichermodul 5e, Kommunikationsmodul 5d) und auch Verbindungen der verschiedenen Module untereinander (Berechnungsmodul 5 Speichermodul 5e; Berechnungsmodul 5 Kommunikationsmodul 5d; Speichermodul 5e Kommunikationsmodul 5e) durch die Rohre eines Mastsystems 7 führen, ohne der Außenwitterung ausgesetzt zu sein.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allein oder mit einem anderen Merkmal oder mehreren oder allen anderen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden können, ohne die Erfindung diesbezüglich zu beschränken, ist das Berechnungsmodul 5 unter Einsatz von dessen Prozessoreinheit 5a weiter befähigt zur Ausführung eines oder mehrerer der folgenden weiteren Vorgänge:

– Bestimmung der relativen Position („Baseline”) zwischen der mindestens einen Antenne 2' über der Schneedecke S und der mindestens einen Antenne 2 unter der Schneedecke S, unabhängig davon, ob auf dem Grund G eine Schneedecke S aufliegt oder nicht; und/oder
– Messung von Referenzwerten der Signalstärke der von den Empfängern 4, 4' dekodierten und verarbeiteten Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) und deren Weiterleitung zur Speicherung an das Speichermodul 5e und/oder Übertragung durch das Kommunikationsmodul 5d; und/oder
– Bestimmung von Schneeparametern der Schneedecke S unter trockenen oder feuchten Schneebedingungen. Hierzu werden die Daten der relativen Position (,Baseline') während der Initialisierungsphase (Zustand zu Beginn der Messzyklen ohne Schneedecke S) und die aktuellen Messungen verwendet.

Die genannten Vorgänge gehen alle zurück auf die zuvor während der Messzyklen aufgezeichneten Messdaten der Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen in Kombination mit der in die Prozessoreinheit 5a eingespielte Software (oben als „Software A” bezeichnet). Die Daten der Messungen werden in der Regel im Speichermodul 5e abgelegt (oder können auch kurzfristig im Berechnungsmodul 5 selbst abgelegt werden) und werden nach Ende der Messungen durch die Software A nach Steuerung durch den Mikroprozessor 5b (Software B) in der Prozessoreinheit 5a verarbeitet.
Die Ablage der Messdaten im Speichermodul 5e ermöglicht es auch, die Daten vor Ort auszulesen und einer Nachprozessierung zuzuführen, also der Durchführung weiterer umfangreicherer Berechnungen mittels Rechnereinheiten und Software, die außerhalb der Vorrichtung der Erfindung vorgehalten werden.
Die mindestens zwei Antennen 2, 2', von denen die Antenne 2 am Grund G angeordnet ist und die Antenne 2' relativ dazu in horizontalem (D_hor) und vertikalem (D_ver) Abstand oberhalb der Schneedecke S angeordnet ist, stehen in direkter Verbindung mit den jeweiligen (innerhalb der wasserdichten Messeinheit 3 angeordneten) Empfängern 4, 4'. Diese liefern die erhaltenen Satelliten-Daten an die Prozessor-Einheit 5a des Berechnungsmoduls 5.
Die Prozessor-Einheit 5a des Berechnungsmoduls 5 bestimmt gemeinsam die drei Schneeparameter Schneewasseräquivalent SWE, Schneehöhe HS und Schneefeuchte LWC. Diese können nach außen (z. B. an einen Interessenten, an eine Behörde, an eine Institution o. ä.) abgegeben werden, wie in 2 das Kästchen mit den Abkürzungen SWE, HS und LWC rechts neben dem großen Kasten für die Vorrichtung 1 angibt.
Alternativ können die ermittelten Schneeparameter (oder die durch die Prozessoreinheit 5a des Berechnungsmoduls 5 berechneten Daten) an eine Kommunikationseinheit 5d abgegeben werden, die die Schneeparameter oder die Daten über die Antenne 2'' zur Kommunikation abgibt, oder die bestimmten Schneeparameter bzw. berechneten Daten können an eine Speichereinheit gehen und dort abgelegt werden.
Energie für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern kann in einer Solarzelle 6a aus Licht erzeugt werden, und der erzeugte Solarstrom fließt über den Laderegler 6c entweder an die Prozessor-Einheit 5a des Berechnungsmoduls 5 oder zur Speicherung an die Batterie 6b. Dort gespeicherte Energie (Solarstrom) kann von der Prozessoreinheit 5a über den Wandler 5c und den Mikroprozessor 6b abgerufen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend weiter unter Bezugnahme auf ein Anwendungsbeispiel beispielhaft erläutert.
In einer beispielhaften Anwendung erfolgt die Installation der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Gebiet, dessen saisonale Schneedecke einen signifikanten Einfluss auf und eine große Bedeutung für das winterliche Geschehen und insbesondere für das Abfluss-Geschehen zur Zeit der Schneeschmelze hat.
Um für die Zeit der Schneeschmelze entsprechende regelnde Maßnahmen einleiten zu können (z. B. Befüllen oder Entleeren von Speicherseen) oder Warnhinweise (Hochwasserwarnung) aussprechen zu können oder Notmaßnahmen (Evakuierung) einleiten zu können, sind verlässliche hydrologische Informationen über die Schneedecke essenziell.
In Anwendung der Erfindung werden alle relevanten Informationen zum Schnee, wie beispielsweise Schneewasseräquivalent, Schneehöhe, Schneefeuchte, automatisch und ohne die Notwendigkeit des Aufenthalts einer Person in der Nähe des Gebiets oder in dem Gebiet, in dem die Schneeparameter bestimmt werden, laufend ermittelt. Dies geschieht durch das Zusammenspiel von Antennen, Empfängern und Berechnungsmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die ermittelten Daten werden dann mittels der implementierten Kommunikation (Kommunikationsmodul) an die vorgesehenen Empfänger (wie kommunale oder Landes-Behörden) weitergeleitet.
Da die Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer vorangegangenen Periode (ohne Schnee) an einer beliebigen, für geeignet befundenen und für die Schneeparameter relevanten Lokation installiert wurde und durch die eigene Energieversorgung kontinuierlich und selbstständig in Betrieb bleibt, können die Informationen ohne personellen Aufwand im durchgehenden Betrieb bereitgestellt werden (kein Austausch von Energiespeichern, kein Nachfüllen von Betriebsstoffen, keine manuellen Messungen, keine Wartungsarbeiten). Ein etwaiges Defizit in der Energiezufuhr (z. B. bei langanhaltender Wolkenbedeckung) hat auf den kontinuierlichen Betrieb nur zeitweilige Auswirkungen. Mit zunehmender Sonneneinstrahlung und entsprechender Energiegewinnung versetzt sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung selbstständig wieder in den Regelbetrieb, gesteuert durch die Messzyklen.
In der Praxis sind Lokationen für das Aufstellen der Vorrichtung gemäß der Erfindung weit abseits von Infrastruktur gelegen (Waldlichtungen, Gebirgshänge) und können bei Schnee und winterlichen Wetterbedingungen nicht oder nur mit großem Aufwand und Risiko erreicht werden. Mit zunehmender Entfernung zwischen dem Ort der Aufstellung der Vorrichtung und dem regelmäßig weit davon entfernten Ort, an dem Entscheidungen (z. B. für einzuleitende Vorsorge- oder Not-Maßnahmen) getroffen werden, macht sich der Einsatz der Vorrichtung gemäß der Erfindung bezahlt.
Anwendungs- und Einsatzorte sind die Gebirgsregionen der Erde sowie weite (und damit zum Teil schwer zugängliche) kontinentale Flächen der Nördlichen Halbkugel (Kanada, Nordamerika/Alaska, Russland, Skandinavien) und Inseln.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand der Zeichnungen (1 und 2) in der detaillierten Beschreibung beschrieben und anhand von bevorzugten Ausführungsformen verständlich erläutert. Die Erfindung soll jedoch nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen beschränkt werden. Der Umfang der Erfindung ergibt sich aus den beigefügten Patentansprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Bestimmung von Schneeparametern
2: Antenne auf dem Grund G unter der Schneedecke S
2': Antenne oberhalb der Schneedecke S
2'': Antenne zur Kommunikation oberhalb der Schneedecke S
3: wasserdichte Messeinheit
4: Empfänger
4': Empfänger
5: Berechnungsmodul
5a: Prozessoreinheit
5b: Mikroprozessor
5c: Wandler
5d: Kommunikationseinheit
5e: Speichereinheit
6: Energieversorgung
6a: Solarzelle
6b: Batterie
6c: Laderegler
7: Mastsystem
G: Grund
S: Schneedecke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern einer auf einem Grund (G) angeordneten Schneedecke (S)), umfassend – mindestens zwei Empfänger (4, 4') von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS); – mindestens zwei Antennen (2, 2'), die befähigt sind, Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) zu empfangen und an die jeweils zugeordneten wenigstens zwei Empfänger (4, 4') weiterzuleiten, mit denen sie jeweils einzeln verbunden sind; – wobei eine Antenne (2) der mindestens zwei Antennen (2, 2') am Grund (G) unter der Schneedecke (S) fixiert ist und eine weitere Antenne (2') der mindestens zwei Antennen (2, 2') oberhalb der Schneedecke (S) fixiert ist und wobei die mindestens eine oberhalb der Schneedecke (S) fixierte Antenne (2') relativ zu der mindestens einen am Grund (G) fixierten Antenne (2), gemessen sowohl parallel zum Grund (G) (horizontal) als auch senkrecht zum Grund (G) (vertikal), definierte Abstände D_hor und D_ver aufweist; – mindestens eine wasserdichte Messeinheit (3), die einschließt: die mindestens zwei mit den mindestens zwei Antennen (2, 2') einzeln verbundenen Empfänger (4, 4') von Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten, ein Berechnungs-Modul (5) und mindestens einen Teil einer Energieversorgung (6); – wobei die mindestens zwei Empfänger (4, 4') befähigt sind, die von den mindestens zwei Antennen (2, 2') empfangenen Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) zu dekodieren, zu verarbeiten und so Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen bereitzustellen und die Messdaten mindestens an das Berechnungsmodul (5) zu übergeben; und – wobei das Berechnungsmodul (5) befähigt ist, Verfahren zur Bestimmung der relativen Position der Antennen (2, 2') sowie von Schneeparametern der Schneedecke (S) anhand der Pseudorange-Messungen, Trägerphasen-Messungen und Signalstärke-Messungen zu implementieren.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach Anspruch 1, wobei die zu bestimmenden Schneeparameter der Schneedecke (S) das Schneewasseräquivalent (SWE), die Schneehöhe (HS) und die Schneefeuchte (LWC) umfassen.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach Anspruch 1 und Anspruch 2, wobei die Abstände zwischen den mindestens zwei Antennen (2, 2') in den Bereichen 1 m ≤ D_hor ≤ 5 m, vorzugsweise 2 m ≤ D_hor ≤ 4 m, und 1 m ≤ D_ver ≤ 10 m, vorzugsweise 3 m ≤ D_ver ≤ 5 m, liegen.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach Anspruch 3, wobei der Abstand der mindestens einen oberhalb der Schneedecke (S) fixierten Antenne (2') zum Grund (G) variiert werden kann und vorzugsweise der größte Abstandswert durch die maximal zu erwartende Höhe der zu vermessenden Schneedecke (S) bestimmt ist.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Berechnungsmodul (5) umfasst: – eine Prozessoreinheit (5a), die anhand von Software zur Berechnung der Schneeparameter der Schneedecke (S) befähigt ist; – einen Mikroprozessor (5b), der zur Steuerung von Messzyklen befähigt ist; und – eine Schaltung zur Wandlung der variablen Eingangsspannung (Wandler (5c)).
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach Anspruch 5, wobei das Berechnungsmodul (5) weiter eine Schnittstelle für den Anschluss eines Speichermoduls (5d) und/oder eine Schnittstelle für den Anschluss eines Kommunikationsmoduls (5e) umfasst, wobei bevorzugt das Speichermodul (5d) befähigt ist zur permanenten Speicherung von vom Berechnungsmodul (5) berechneten Schneeparametern und/oder von Systemparametern, noch mehr bevorzugt von Parametern wie Angaben von Zeiten, Betriebstemperaturen und Strom- bzw. Spannungs-Werten der Vorrichtung (1), und/oder der von den Empfängern (4, 4') dekodierten und verarbeiteten Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS); und wobei bevorzugt das Kommunikationsmodul (5e) befähigt ist zum Aufbau von temporären oder permanenten Verbindungen über terrestrischen und/oder satelliten-basierte Übertragungswege und/oder zur Übermittlung von berechneten und gegebenenfalls gespeicherten Schneeparametern und Systemparametern und/oder dekodierten und verarbeiteten Mikrowellen-Signalen von Navigationssatelliten (GNSS).
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach Patentanspruch 5, wobei der Mikroprozessor (5b) mit einer Echtzeituhr zur Steuerung von Messzyklen befähigt ist, die Empfänger (4, 4') von Satellitensignalen und gegebenenfalls das Kommunikationsmodul (5d) ausschalten oder in einen stromsparenden Modus versetzen kann.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kommunikationsmodul (5d) weiter eine Schnittstelle für einen Anschluss an eine weitere Antenne (2'') aufweist, die zur terrestrischen und/oder satelliten-basierten Übertragung von Schneeparametern und Systemparametern befähigt ist; vorzugsweise wobei die weitere, an das Kommunikationsmodul (5d) anschließbare Antenne (2'') zur Kommunikation in die oberhalb der Schneedecke (S) fixierte Antenne (2') integriert ist.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, welche befähigt ist eine eigenständige Stromversorgung (6) bereitzustellen; vorzugsweise worin die eigenständige Stromversorgung (6) umfasst: – mindestens eine Solarzelle (6a) für die Erzeugung von Solarstrom, die vorzugsweise oberhalb der Schneedecke (S) fixiert ist; – eine vorzugsweise austauschbare Batterie (6b) zur Speicherung des von der Solarzelle (6a) erzeugten Solarstroms, um einen Betrieb bei einer für die Erzeugung von Solarstrom zu geringer Sonneneinstrahlung (Nacht, dichte Bewölkung, schneebedeckte Solarzelle etc.) zu ermöglichen; und – eine Steuerung zur Ladung der Batterie (6b) mit Solarstrom, welche einen primären Laderegler (6c) umfasst und weiter einem Schutz der Batterie (6b) vor Tiefenentladung dient und die primäre Energieversorgung des Berechnungsmoduls (5) regelt.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, weiter umfassend ein transportables Mastsystem (7), an dem die über der Schneedecke (S) fixierte(n) Antenne(n) (2', optional 2'') und gegebenenfalls mindestens eine Haltevorrichtung für die mindestens eine Solarzelle (6a) angebracht ist.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach Anspruch 10, wobei das Mastsystem (7) zerlegbar ist und aus Rohren besteht, die befähigt sind, vertikal und horizontal fluchtend montiert zu werden, und in die Kabel für einen Anschluss der Antennen (2', optional 2'') und der Solarzelle (6a) an die wasserdichte Messeinheit (3) integrierbar sind.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Schneeparametern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Berechnungsmodul (5) mittels der Prozessoreinheit (5a) zur Ausführung eines oder mehrerer folgender weiterer Vorgänge befähigt ist: – Bestimmung der relativen Position („Baseline”) zwischen der mindestens einen Antenne (2') über der Schneedecke (S) und der mindestens einen Antenne (2) unter der Schneedecke (S), unabhängig davon, ob auf dem Grund (G) eine Schneedecke (S) aufliegt oder nicht; und/oder – Messung von Referenzwerten der Signalstärke der von den Empfängern (4, 4') dekodierten und verarbeiteten Mikrowellen-Signale von Navigationssatelliten (GNSS) und deren Weiterleitung zur Speicherung an das Speichermodul (5d) und/oder Übertragung durch das Kommunikationsmodul (5e); und/oder – Bestimmung von Schneeparametern der Schneedecke (S) unter trockenen oder feuchten Schneebedingungen.