Johann, Felix (2018)
Implementierung und Evaluation der „direkten Methode“ in der Strapdown-Fluggravimetrie.
Technische Universität Darmstadt
Masterarbeit, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Teilgebiet der Fluggravimetrie, der Bestimmung des Erdschwerefelds über Messungen in einem Flugzeug. Es wird die Schwerestörung ermittelt, die sich als Differenz aus gemessener Schwere und Normalschwere am Ort der Messung ergibt. Als Messsystem dient in dieser Untersuchung eine körperfeste inertiale Messeinheit (Strapdown-IMU) in Kombination mit hochpräziser GNSS-Positionierung. Zur Bestimmung der Schwerestörung stehen in der Fluggravimetrie im Wesentlichen zwei Ansätze zur Verfügung: Bei der indirekten Methode (auch genannt „Inertialnavigationsansatz“ oder „Ein-Schritt-Verfahren“) werden alle Beobachtungsgrößen aus IMU und GNSS in einem gemeinsamen Kalman-Filter ausgewertet. Für jede betrachtete Epoche wird unter anderem die Schwerestörung geschätzt. Bei der direkten Methode (auch genannt „Beschleunigungsansatz“ oder „Mehr-Schritt-Verfahren“) wird die Schwerestörung erhalten, indem die Differenz der von den IMU-Akzelerometern gemessenen spezifischen Kraft und der kinematischen Beschleunigung gebildet wird. Letztere wird aus GNSS-Beobachtungen ermittelt. Dieser Auswertemethode muss eine GNSS-/IMU-Integration zur Bestimmung der Sensororientierung vorausgehen. Im Rahmen der Thesis wird die direkte Methode implementiert und mit realen Messdaten ausgewertet, die bereits mit der indirekten Methode verarbeitet wurden. Die Resultate und erreichten Genauigkeiten der beiden Auswerteverfahren werden verglichen. Neben der vertikalen Komponente der Schwerestörung werden auch die Horizontalkomponenten zur Bestimmung der Lotabweichungen ermittelt. Zur Optimierung der benötigten Tiefpassfilterung werden verschiedene Filtertypen beschrieben und getestet. Es wird gezeigt, dass in unserer Implementierung die direkte und die indirekte Methode das gleiche Genauigkeitsniveau erreichen und in dieser Hinsicht gleichwertig sind.

The subject of this work is part of airborne gravimetry, which aims to determine the gravity field of the earth via measurements in an airplane. The searched quantity is the gravity disturbance, which is defined as the difference of measured gravity and normal gravity at the measurement location. The measurement system used is a navigation grade Strapdown Inertial Measurement Unit (IMU) used in combination with high precision GNSS positioning. For gravity disturbance determination, two different processing approaches may be used. The indirect approach (also referred to as “inertial navigation approach” or “one-step approach”) evaluates all observations in a single Kalman filter. Gravity disturbance and other states are estimated at every investigated epoch. The direct approach (also referred to as “accelerometry approach” or “cascaded approach”) determines gravity disturbance by forming the difference of specific force measured by the IMU and kinematic acceleration. The latter is obtained by GNSS data. To enable this calculation method, a GNSS/IMU integration has to be executed previously in order to derive the sensor’s orientation. In the scope of this thesis, the direct method is implemented and real campaign data are evaluated. Results obtained and their accuracy are compared to already existing findings obtained with the indirect approach. In addition to the determination of the vertical component of gravity disturbance, the horizontal components are studied as well in order to quantify the deflections of the vertical. For optimization purposes, different low-pass filter types are described and tested. It is shown that for our implementation, the accuracies of the direct and the indirect method are on a par.

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