Magnetic Calibration and GNSS Processing in Strapdown Dynamic Gravimetry

Dynamic gravimetry means the determination of the gravity acceleration with observations conducted on a moving platform. In strapdown gravimetry, gravity is obtained as the difference between the kinematic acceleration due to vehicle movement and the specific force observed by the accelerometers of an Inertial Measurement Unit (IMU). This thesis analyses potential improvements in both summands. Strategies for kinematic acceleration determination using GNSS observations are reviewed, categorised and promising methods are implemented with slight adaptions. The methods are either based on the numerical differentiation of GNSS-derived position solutions or on GNSS phase range observations followed by least-squares estimation. In static and dynamic experiments, both approaches were found to be suited for dynamic gravimetry with accuracies being approximately on par. Recommendations for the selection of a method are made based on available data and tolerable processing delay due to waiting time for required precise satellite products. For Q-Flex QA-2000 accelerometers, reading errors of several mGal (1 mGal = 10^-5 m/s²) were observed for a magnetic field intensity in the order of the Earth's field. A calibration based on the magnetic field is developed based on static experiments inside of a 3-D Helmholtz coil in addition to thermal calibration. The calibration functions were applied to several airborne and shipborne campaigns using the direct method of strapdown gravimetry. For almost all campaigns, the magnetic calibration resulted in precision improvements between 8 and 82% depending on the observation region, the intersection angle between crossover point lines and the carrier vehicle type. The high number of campaigns allows for an evaluation of possible relations between the observation conditions and the obtained gravity precision. A line-wise upward continuation approach is introduced for comparing repeated lines of a shipborne and an airborne campaign. The strapdown gravimetry approach proved to reliably deliver a precision around the 1 mGal level. Based on crossover residual analysis, without any crossover adjustment, the best precision estimates obtained for airborne and shipborne campaigns were 0.50 and 0.27 mGal, respectively.

Die Dynamische Gravimetrie bezeichnet die Bestimmung der Schwerebeschleunigung unter Verwendung von Beobachtungen, die auf einer bewegten Plattform erhalten wurden. In der Strapdown-Gravimetrie wird die Schwere als Differenz zwischen der Kinematischen Beschleunigung aufgrund der Bewegung des Fahrzeugs und der Spezifischen Kraft, die von den Beschleunigungssensoren einer Inertialen Messeinheit (IMU) beobachtet wird, erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird Verbesserungspotenzial in beiden Bestandteilen analysiert. Zur Bestimmung der Kinematischen Beschleunigung werden verschiedene Strategien aus der Literatur vorgestellt und kategorisiert. Erfolgsversprechende Methoden werden mit leichten Anpassungen implementiert. Die Methoden basieren entweder auf der numerischen Differentiation von mittels GNSS bestimmten Positionslösungen oder von GNSS-Phasenbeobachtungen, in letzterem Fall gefolgt von einer Beschleunigungsschätzung nach der Methode der kleinsten Quadrate. In statischen und dynamischen Versuchen wurde festgestellt, dass beide Ansätze für die Anwendung in der Dynamischen Gravimetrie geeignet sind. Die Qualität von deren Ergebnissen ist ähnlich. Es werden Empfehlungen zur Auswahl einer Methode getroffen basierend auf den verfügbaren Daten und der maximal tolerierbaren Verzögerung aufgrund der Wartezeit auf benötigte präzise Satellitenprodukte. Für Beschleunigungssensoren des Typs Q-Flex QA-2000 wurden bei Einwirkung eines Magnetfelds in der Größenordnung des Erdmagnetfelds Sensorfehler von mehreren mGal (1 mGal = 10^-5 m/s²) beobachtet. Auf Grundlage statischer Experimente in einer 3D-Helmholtzspule wurde, zusätzlich zu einer thermischen Kalibrierung, eine Kalibriermethode basierend auf einem äußeren Magnetfeld entwickelt. Die Kalibrierfunktionen für die Akzelerometer wurden auf verschiedene Flug- und Schiffskampagnen angewendet. Dabei wurde die Direkte Methode der Strapdown-Gravimetrie angewendet. Bei fast allen Kampagnen führte die Anwendung der magnetischen Kalibrierung zu einer Verbesserung der Präzision zwischen 8 und 82%, abhängig von der Region, dem Schnittwinkel zwischen den Linien der Kreuzungspunkte und dem Fahrzeugtyp. Die hohe Anzahl an Kampagnen ermöglicht eine Analyse möglicher Korrelationen zwischen den Beobachtungsbedingungen und der Präzision der erhaltenen Schwere. Ein Ansatz zur linienweisen Schwerefortsetzung nach oben wurde eingeführt, um wiederholte Linien einer Schiffs- und einer Flugkampagne vergleichen zu können. Mithilfe der Strapdown-Gravimetrie wurde zuverlässig eine Präzision um 1 mGal erhalten. Basierend auf Kreuzungspunktanalysen ohne zugehörige Justierung wurden als beste Präzision 0.50 mGal für eine Flug- und 0.27 mGal für eine Schiffskampagne erreicht.