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Advanced Calibration Methods for Strapdown Airborne Gravimetry

Becker, David :
Advanced Calibration Methods for Strapdown Airborne Gravimetry.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Advanced Calibration Methods for Strapdown Airborne Gravimetry
Language: English
Abstract:

Airborne gravimetry is the determination of the Earth's gravity field, using aircraft as mobile measurement platforms. For such measurements, there exist two predominant types of instrumentation: 1. Mechanical spring gravimeters, which are mounted on a gimballed platform in order to maintain a constant sensor orientation during the flight, aligned with the local vertical of the gravity field; 2. aircraft body-fixed 'strap-down' Inertial Measurement Units (IMU), containing each one sensor triad of accelerometers and gyroscopes. While IMUs are commonly designed for navigation applications, they also turn out to have several practical advantages also for gravimetric applications, compared to the more established platform-stabilised spring-gravimeters. In particular advantageous are the lower space and energy consumption, the autonomous operation during the flights, the lower sensitivity to turbulence, and the considerably lower acquisition costs.

This thesis is a contribution to the improvement of kinematic, IMU-based gravimetry (denoted as \emph{strapdown gravimetry}). In practice, the predominant source of errors of such systems arises from uncompensated accelerometer drifts. It is shown theoretically, and based on simulations as well, that such drifts are in practice inseparable from the gravity signal which is to be determined. Based on this finding, several accelerometer calibration methods are developed, aiming at the reduction of in-flight accelerometer drifts. In particular, thermal effects are shown to be the predominant error source. The proposed calibration methods are evaluated on real data, taken from five different airborne gravity campaigns. The common airborne gravimetry evaluation methods are summarised and discussed. An IMU-based gravity measurement accuracy of approximately $\SI{1e-5}{m/s^2}$ is verified, being equal or even superior compared to the achievable accuracy of mechanical spring-gravimeters under comparable conditions, which are still the predominant instrumentation for airborne gravimetry.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Als Fluggravimetrie wird die Vermessung des Schwerefeldes der Erde bezeichnet, wobei als mobile Messplattform ein Flugzeug zum Einsatz kommt. Für solche Messungen existieren in der Praxis zwei verschiedene Typen von Messinstrumenten: 1. Mechanische Federgravimeter, welche während des Fluges mit Hilfe einer geregelten kardanischen Aufhängung in einer konstanten Orientierung gehalten werden, welche entlang der vertikalen Lotlinie des Schwerefeldes ausgerichtet ist; 2. Fest mit dem Flugzeugkörper verbundene Inertiale Messsysteme (IMU), welche je eine Triade von Akzelerometern und Messkreiseln beinhalten. Letztere Systeme sind üblicherweise für Navigationsanwendungen konzipiert, sie bieten aber auch für gravimetrische Messungen viele praktische Vorteile gegenüber den etablierteren, kardanisch aufgehängten Federgravimetern. Insbesondere sind hier der erheblich geringere Platz- und Energiebedarf zu nennen, der autonome Betrieb des Instruments im Flug, die geringere Empfindlichkeit gegenüber Turbulenzen, sowie die erheblich geringeren Anschaffungskosten. Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur IMU-basierten Fluggravimetrie dar. Die in der Praxis größte Fehlerquelle bei solchen Messungen sind nicht-kompensierte Driften der Akzelerometer. Es wird zunächst theoretisch, sowie anhand von Simulationen gezeigt, dass solche Sensordriften in der Praxis nicht von der zu bestimmenden Schwere trennbar sind. Hierauf aufbauend werden verschiedene Kalibriermethoden entwickelt, welche die im Flug auftretenden Driften reduzieren sollen. Vorrangig sind hier temperaturabhängige Effekte zu nennen. Die untersuchten Kalibriermethoden werden anhand von Realdaten von fünf Fluggravimetrie-Kampagnen evaluiert. Hierfür werden zunächst die gängigen Evaluationsmethoden zusammengefasst und diskutiert. Für die IMU-basierten Schweremessungen wird schließlich eine Genauigkeit von etwa 10^-5 m/s² nachgewiesen, welche gleichwertig oder sogar höher ist als die unter vergleichbaren Bedingungen erzielbare Genauigkeit von mechanischen Federgravimetern, welche in der Praxis nach wie vor die Standardinstrumentierung darstellen.German
Series Name: Schriftenreihe der Fachrichtung Geodäsie, TU Darmstadt
Number: 51
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Strapdown, IMU, inertial measurement unit, gravimetry, airborne gravimetry, calibration, thermal calibration, system analysis, observability, estimability, error propagation analysis
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Körperfest, IMU, inertiales Messsystem, Gravimetrie, Fluggravimetrie, Kalibrierung, Thermale Kalibrierung, Systemanalyse, Beobachtbarkeit, Schätzbarkeit, FehlerfortpflanzungsanalyseGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Geodesy > Physical and Satellite Geodesy
Date Deposited: 24 Oct 2016 12:03
Last Modified: 16 Nov 2016 14:30
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56917
Referees: Becker, Prof. Dr. Matthias and Forsberg, Prof. Dr. René
Refereed: 1 September 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5691
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