Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4372
Main Title: GNSS kinematic position and velocity determination for airborne gravimetry
Translated Title: Zur GNSS-basierten Bestimmung von Position und Geschwindigkeit in der Fluggravimetrie
Author(s): He, Kaifei
Advisor(s): Xu, Guochang
Referee(s): Neitzel, Frank
Flechtner, Frank
Rothacher, Markus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das weltumspannende Satelliten-Navigationssystem GNSS spielt eine wichtige Rolle für die Fluggravimetrie. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung zuverlässiger GNSS-Algorithmen und Software für die hochgenaue GNSS-Datenanalyse in der Fluggravimetrie. Ausgehend von den Anforderungen für praktische Anwendungen der Fluggravimetrie lassen sich die Beiträge und Schwerpunkte dieser Dissertation wie folgt zusammenfassen: Ausgleichs- bzw. Schätzungs-Algorithmen: Ausgehend von den Genauigkeitsanforderungen an die GNSS-basierte Positionsbestimmung in der Fluggravimetrie werden in einer kinematischen GNSS-Daten-Auswertung eine Schätzung nach kleinsten Quadraten einschließlich der Eliminierung von Störparametern sowie ein Zwei-Wege-Kalman-Filter angewendet. Das Ziel der beiden Ausgleichsverfahren ist es, an jedem Messzeitpunkt zunächst globale Parameter (wie System-Fehler und Trägerwellen-Ambiguities) und anschließend lokale Parameter (wie Position und Geschwindigkeit der bewegten Messplattform) zu bestimmen. Die angewandten Methoden sind sehr effizient und ergeben hochpräzise Resultate für die GNSS-Datenanalyse. Analyse von Genauigkeit und Zuverlässigkeit: Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Resultate der präzisen kinematischen GNSS-Positionsbestimmung werden untersucht. Dabei wird eine besondere Methode zur Bewertung der Genauigkeit der kinematischen GNSS-Positionsbestimmung vorgeschlagen, wo bekannte Entfernungen zwischen mehreren GNSS-Antennen als Genauigkeits-Maßstab genommen werden. Weiterhin wird der Einfluss der Uhrenfehler der GNSS-Empfänger auf die Genauigkeit der kinematischen Positionsbestimmung für die Hochgeschwindigkeits-Plattform untersucht. Für dabei auftretende Probleme wird eine Lösung vorgeschlagen. Algorithmen der kinematischen Positionsbestimmung die auf mehreren Referenzstationen beruhen: Um das Problem der im Falle langer Basislinien abnehmenden Genauigkeit in der relativen kinematischen GNSS-Positionsbestimmung zu bewältigen, wird ein neuer Algorithmus vorgeschlagen. Er beruht auf der apriori Einführung von Exzentrizitäts-Bedingungen für mehrere Referenzstationen. Dieser Algorithmus erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnise in der kinematischen Positionsbestimmung für große Regionen resp. lange Basislinien. Präzise GNSS-Positionsbestimmung, beruhend auf robuster Schätzung: Das Vorhandensein von groben Fehlern in den GNSS-Beobachtungen verursacht das Auftreten von Ausreißern in den Ergebnissen der Positionsbestimmung. Um dieses Problem zu überwinden, wird ein robuster Ausgleichungs-Algorithmus angewendet, der die Auswirkungen von gro-ben Fehlern in den Ergebnissen der kinematischen GNSS-Positionsbestimmung beseitigt. Kinematische Positionierung auf der Basis mehrerer bewegter Stationen: In der Fluggravimetrie werden in der Regel mehrere GNSS-Antennen auf einer bewegten Plattform installiert. In diesem Zusammenhang wird deshalb erstens ein kinematisches GNSS-Positionsbestimmungsverfahren vorgeschlagen, das auf mehreren gleichzeitig bewegten GNSS-Stationen basiert. Aus den bekannten, konstanten Distanzen zwischen den GNSS-Antennen werden dabei apriori Exzentrizitäts-Bedingungen abgeleitet und in die Positions-schätzung eingeführt. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Messsystems. Zweitens wird solch ein Ansatz auch zur Bestimmung eines gemeinsamen Refraktionsparameters aller GNSS-Antennen der Plattform für den feuchten Teil der Atmosphäre verwendet. Dieses Verfahren reduziert nicht nur die Menge der geschätzten Parameter, sondern verringert auch die Korrelation zwischen den atmosphärischen Parametern. Kinematische Positionierung basierend auf der Kombination verschiedener GNSS-Systeme: Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der kinematischen Positionsbestimmung zu verbessern, werden die Signale mehrerer GNSS-Systeme (d.h. GPS und GLONASS) gemeinsam registriert und ausgewertet (sog. GNSS-Integration). Zur Optimierung des relativen Gewichts zwischen den Daten der verschiedenen GNSS-Systeme wird die Helmertsche Varianz-Komponenten-Schätzung angewandt. Der auf dieser Basis entwickelte Kombinationsalgorithmus ermöglicht die Verbesserung der Beiträge von mehreren GNSS-Systemen. Geschwindigkeitsbestimmung mit GNSS-Doppler-Daten: Die Auswertung der Schwere-Messdaten in der Fluggravimetrie verlangt die hochgenaue Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors der bewegten Plattform. Deshalb werden rohe GNSS-Doppler-Beobachtungen verwendet, um die Geschwindigkeit der bewegten Plattform im Falle hoch-dynamischer Flugbedingungen kinematisch zu bestimmen. Darüberhinaus werden aus der Trägerphase abgeleitete Doppler-Beobachtungen verwendet, um präzise Geschwindigkeitsschätzungen im Falle weniger dynamischer Flugbedingungen zu erhalten. Die Kombination verschiedener GNSS-Systeme wird auch bei der Doppler-Geschwindigkeitsbestimmung angewandt. Hierzu wird die Anwendung der Helmertschen Varianzkomponenten-Schätzung und einer robusten Schätzung untersucht. Software Entwicklung und Anwendung: Um die aktuellen Anforderungen der GNSS-basierten Positionsbestimmung in der Flug- sowie Schiffsgravimetrie zu erfüllen, wurde ein Software-System (HALO_GNSS) für die präzise kinematische GNSS-Flugbahn- und Geschwindigkeitsberechnung kinematischer Plattformen entwickelt. Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Algorithmen wurden in diese Software integriert. Um die Effizienz der vorgeschlagenen Algorithmen und der HALO_GNSS Software zu prüfen, wurde diese Software sowohl in Flug- als auch in Schiffsgravimetrie-Projekten des GFZ Potsdam angewandt. Alle Ergebnisse werden verglichen und geprüft und es wird gezeigt, dass die angewandten Methoden die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der kinematischen Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung effektiv verbessern. Die Verwendung der Software HA-LO_GNSS ermöglicht kinematische Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von 1-2 cm sowie Geschwindigkeitsbestimmung mit einer Genauigkeit von ca. 1 cm/s mit Roh- und etwa 1 mm/s mit aus der Trägerphase abgeleiteten Doppler-Beobachtungen.
The Global Navigation Satellite System (GNSS) plays a significant role in the fields of airborne gravimetry. The objective of this thesis is to develop reliable GNSS algorithms and software for kinematic highly precise GNSS data analysis in airborne gravimetry. Based on the requirements for practical applications in airborne gravimetry and shipborne gravimetry projects, the core research and the contributions of this thesis are summarized as follows: Estimation Algorithm: Based on the accuracy requirements for GNSS precise positioning in airborne gravimetry, the estimation algorithms of least squares including the elimination of nuisance parameters as well as a two-way Kalman filter are applied to the kinematic GNSS data post-processing. The goal of these adjustment methods is to calculate non-epoch parameters (such as system error estimates or carrier phase ambiguity parameters) using all data in the first step, followed by the calculation of epoch parameters (such as position and velocity parameters of the kinematic platform) at every epoch. These methods are highly efficient when dealing with massive amounts of data, and give the highly precise results for the GNSS data analyzed. Accuracy Evaluation and Reliability Analysis: The accuracy evaluation and reliability analysis of the results from precise kinematic GNSS positioning is studied. A special accuracy evaluation method in GNSS kinematic positioning is proposed, where the known distances among multiple antennas of GNSS receivers are taken as an accuracy evaluation index. The effect of the GNSS receiver clock error in the accuracy evaluation for GNSS kinematic positioning results of a high-speed motion platform is studied and a solution is proposed. Kinematic Positioning Based on Multiple Reference Stations Algorithms: In order to overcome the problem of decreasing accuracy in GNSS relative kinematic positioning for long baselines, a new relative kinematic positioning method based on a priori constraints for multiple reference stations is proposed. This algorithm increases the accuracy and reliability of kinematic positioning results for large regions resp. long baselines. GNSS Precise Positioning Based on Robust Estimation: In order to solve the problem of outliers occurring in positioning results which are caused by the presence of gross errors in the GNSS observations, a robust estimation algorithm is applied to eliminate the effects of gross errors in the results of GNSS kinematic precise positioning. Kinematic Positioning Based on Multiple Kinematic Stations: In airborne gravimetry, multiple antennas of GNSS receivers are usually mounted on the kinematic platform. Firstly, a GNSS kinematic positioning method based on multiple kinematic stations is proposed. Using the known constant distances among the multiple GNSS antennas, a kinematic positioning method based on a priori distance constraints is proposed to improve the reliability of the system. Secondly, such an approach is also used for the estimation of a common atmospheric wet delay parameter among the multiple GNSS antennas mounted on the platform. This method does not only reduce the amount of estimated parameters, but also decreases the correlation among the atmospheric parameters. Kinematic Positioning Based on GNSS Integration: To improve the reliability and accuracy of kinematic positioning, a kinematic positioning method using multiple GNSS systems integration is addressed. Furthermore, a GNSS integration algorithm based on Helmert’s variance components estimation is proposed to adjust the weights in a reasonable way. This improves the results when combining data of the different GNSS systems. Velocity Determination Using GNSS Doppler Data: Airborne gravimetry requires instantaneous velocity results, thus raw Doppler observations are used to determine the kinematic instantaneous velocity in high-dynamic environments. Furthermore, carrier phase derived Doppler observations are used to obtain precise velocity estimates in low-dynamic environments. Then a method of Doppler velocity determination based on GNSS integration with Helmert’s variance components estimation and robust estimation is studied. Software Development and Application: In order to fulfill the actual requirements of airborne as well as shipborne gravimetry on GNSS precise positioning, a software system (HALO_GNSS) for precise kinematic GNSS trajectory and velocity determination for kinematic platforms has been developed. In this software, the algorithms as proposed in this thesis were adopted and applied. In order to evaluate the effectiveness of the proposed algorithm and the HALO_GNSS software, this software is applied in airborne as well as shipborne gravimetry projects of GFZ Potsdam. All results are compared and examined, and it is shown that the applied approaches can effectively improve the reliability and accuracy of the kinematic position and velocity determination. It allows the kinematic positioning with an accuracy of 1-2 cm and the velocity determination with an accuracy of approximately 1 cm/s using raw and approximately 1 mm/s using carrier phase derived Doppler observations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-63840
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4669
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4372
Exam Date: 3-Dec-2014
Issue Date: 27-Mar-2015
Date Available: 27-Mar-2015
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Doppler-Geschwindigkeit
Fluggravimetrie
Kinematische Positionierung
Airborne gravimetry
Doppler velocity determination
Kinematic precise positioning
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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