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Methoden zur Analyse, Bewertung und Modifikation digitaler Höheninformationen für Luftfahrtanwendungen

Heidelmeyer, Gunther :
Methoden zur Analyse, Bewertung und Modifikation digitaler Höheninformationen für Luftfahrtanwendungen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Methoden zur Analyse, Bewertung und Modifikation digitaler Höheninformationen für Luftfahrtanwendungen, Dissertation, Institut FSR, FB Maschinenbau, TU-Darmstadt - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Methoden zur Analyse, Bewertung und Modifikation digitaler Höheninformationen für Luftfahrtanwendungen
Language: German
Abstract:

In der Luftfahrt gewinnen digitale Höhenmodelle an immer größerer Bedeutung. Inzwischen existiert eine Vielzahl von Luftfahrtanwendungen, die auf Geländeinformationen zurückgreifen. Das Spektrum solcher Applikationen reicht von bodenseitigen Systemen zur Flugplanung und -überwachung bis hin zu flugzeuggetragenen Systemen, die unter anderem das Situationsbewußtsein der Cockpitbesatzung erhöhen sollen. Um eine Vereinheitlichung der Qualität sowie der Formate und Inhalte der Datensätze sicherzustellen, wurden für die zivile Luftfahrt durch die ICAO wie auch die RTCA/EUROCAE Anforderungen an digitale Höheninformationen spezifiziert, die einen sicheren Betrieb des Flugzeuges auch während der bodennahen Flugphasen gewährleisten sollen. Allerdings ist die Verfügbarkeit adäquater Datensätze begrenzt. Geländeinformationen, die heute die geforderten Genauigkeiten anbieten können, bedienen sich Verfahren der flugzeuggetragenen Laser bzw. Radarvermessung, die sehr arbeitsaufwendig und damit kostenintensiv sind. Somit werden entsprechende Verfahren zumeist für die Vermessung begrenzter Flächen verwendet. Dies hat zur Folge, daß selbst in Industrieländern keine landesweite Abdeckung gewährleistet ist, obwohl entsprechende Geländedaten hoher Genauigkeit und Integrität mit praktisch globaler Flächendeckung benötigt werden. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, werden in dieser Arbeit Methoden aufgezeigt, die eine Bewertung und Bereitstellung von Geländedaten sicherstellen, die den Anforderungen der ICAO und RTCA/EUROCAE genügen. Hierzu werden primär keine kosten- und zeitintensiven Sonderanfertigungen betrachtet, sondern Datenprodukte kostengünstiger Systeme mit globaler Abdeckung so modifiziert, daß sie auch zum Einsatz bei sicherheitskritischen Luftfahrtanwendungen geeignet sind. Um dieses Ziel zu erreichen, werden existierende Geländedatensätze verschiedener Quellen betrachtet, wobei die während der SRTM Mission aus dem Weltall aufgezeichneten Radarhöhendaten von besonderem Interesse sind, da diese weltweit verfügbare Datensätze gleicher Eigenschaften ermöglichten. Diesen Datensätzen werden mittels flugzeuggetragenen Laserscanningsystemen gewonnene Höhenmodelle gegenübergestellt. Bei allen genannten Technologien handelt es sich um aktive Systeme, die eine künstliche Strahlung erzeugen, welche von der Erdoberfläche reflektiert und von einem Empfänger aufgezeichnet wird. Die Qualität der zurückgestreuten Signale wird von den Eigenschaften der vermessenen Oberflächen beeinflußt und hat somit einen unmittelbaren Einfluß auf die Qualität der aufgezeichneten Informationen. Um eine tiefergehende Bewertung der Qualität der untersuchten Geländedaten vornehmen zu können, werden die Höheninformationen Kontrollpunkten wie auch gesamten Datensätzen gegenübergestellt. Die auftretenden Fehler werden quantifiziert und die maßgeblichen Einflußfaktoren ermittelt. Basierend auf diesen Ergebnissen können entsprechende Fehlerschranken abgeleitet werden. Liegt der erkannte Fehler über den von der ICAO und RTCA/EUROCAE geforderten Genauigkeiten, werden, basierend auf den ermittelten Fehlerschranken, Sicherheitsmargen, sogenannte „Safety Buffer“ definiert und auf das Höhenmodell addiert. Diese Modifikation der Höhenmodelle erfolgt zum einen durch pauschale Puffer. Zum anderen werden partielle Puffer verwendet, welche den Einfluß von Oberflächenbedeckung, Geländesteigung wie auch der Intensität des Radarechos berück¬sichtigen. Die abschließende Verifikation der modifizierten Datensätze zeigt, daß eine Anpassung der Höhendaten hinsichtlich eines Erreichens der gewünschten Genauigkeit möglich ist. Allerdings ist eine weitergehende Angleichung des verwendeten Verfahrens an die Charakteristik der untersuchten Datensätze notwendig, um das Einhalten der angestrebten Fehlerschranken unter allen Umständen sicherzustellen und somit eine sichere Nutzung für Luftfahrtanwendungen zu gewährleisten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In aviation the impact of digital elevation information is growing conspicuously. By now multiple aeronautical applications using terrain data are applied to ensure a safe flight, especially during the near to ground operations. The scope of such applications comprises ground based systems for flight planning and surveillance as well as airborne systems for flight guidance. To guarantee a consistent elevation data quality, format und content, the ICAO as well as the RTCA/EUROCAE, defined mandatory requirements for digital elevation information to avoid hazardous near to ground operations of civil aircrafts. But the availability of adequate data sources is limited. Systems providing the required accuracy normally are using techniques of airborne radar or laser sensors, but those methods are very labour- and cost-intensive. Therefore those techniques are only appropriate for limited areas. Because of this fact even in industrialised countries an area wide coverage is not assured though adequate elevation information for aviation purposes is needed worldwide. In order to satisfy this demand, this paper presents an approach to assure the assessment and provision of terrain data meeting the requirements of the ICAO and the RTCA/EUROCAE. Hereby no elaborate custom made products appropriate for bounded areas are regarded. Rather products provided by cost saving systems with nearly world wide coverage will be analysed and if needed modified, in order to meet the requirements of safety relevant aviation applications. To achieve this objective, different already existing data sources are analysed and assessed. Whereas the Radar based elevation information gained during the SRTM earth observation mission is focused. The applied radar sensors operated in the orbit and offered the ability to provide nearly worldwide height information with a constant quality. These datasets will be checked against elevation data generated by airborne laser-scanners and stereo-photogrammetry. All considered technologies, except stereo-photogrammetry, are working with active sensors emitting radiation which is reflected by the surveyed surface of the earth. The returning laser or RADAR beam is recorded by a receiver belonging to the system. The quality of the reflected signals is influenced by the characteristics of the surveyed area. Due to this fact the accuracy of the generated data set is directly correlated to the characteristics of the surveyed section. To identify the influencing factors the height models will be checked against control points as well as entire reference elevation datasets. The identified deviations will be quantified under the consideration of the influencing conditions. Based on these results the error bounds can be deduced. If the identified error exceeds the deviation allowed by the ICAO and RTCA/EUROCAE, a margin, the so called “Safety Buffer”, will be added on the elevation data. Finally on the one hand a modification of the elevation data by using a global buffer is conducted. On the other hand a partial buffering is applied to allow a consideration of the surface characteristics like terrain cover and slope as well as the intensity of the returned radar echo. At least a final verification of the modified datasets is performed. The results show, that a modification of elevation datasets is feasible in order to meet the requirements of safety critical aviation applications. But a detailed consideration of the influencing factors can provide more reliable results, though the safety of a near to ground operation of an aircraft can be supported in any case.English
Uncontrolled Keywords: Geländemodelle, Fernerkundung, DEM, SAR, INSAR, LIDAR, SRTM, Safety, Luftfahrt, DTED, Tiefflug
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Geländemodelle, Fernerkundung, DEM, SAR, INSAR, LIDAR, SRTM, Safety, Luftfahrt, DTED, TiefflugGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10653
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klingauf, Prof. Dr.- Uwe and Becker, Prof. Dr.- Matthias
Refereed: 9 April 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1065
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