Klassifizierung des kurzzeitigen Beobachtungsrauschens von 100 Hz GPS-Empfängern unter statischen und kinematischen Szenarien

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1 Klassifizierung des kurzzeitigen Beobachtungsrauschens von 100 Hz GPS-Empfängern unter statischen und kinematischen Szenarien - Geodätische Woche 2014, Berlin - Session 4: Angewandte Geodäsie und GNSS Institut für Erdmessung Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Christian Bischof, Alexander Lengsfeld, Steffen Schön Mittwoch, 8. Oktober 2014

2 Motivation Rauschklassifizierung von 100Hz GPS Vorteile von 100Hz Messungen: Schwingungen mit theoretisch bis zu 50Hz (Nyquist) detektierbar Glattere Trajektorien für Navigationsanwendungen Erhöhte Genauigkeit für quasi-statische/statische Positionen wenn geglättet [Genrich et.al.2006] Nutzen für Anwendungen: Schwingungen & quasi-statische Verschiebungen (z.b. Erdbeben, Brücken) Schwingungs- und Vibrations-Detektion auf Flugzeugen und Schiffen Analyse der hochfrequenten ionosphärischen Szintillation Unklarheiten bei hoch-dynamischen 100Hz Messungen Messkorrelation und Rauschtypen von aufeinanderfolgenen Messungen Systematische Fehler in stark dynamischen Positionen C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 2

3 Rütteltisch Experiment Referenz-Station: Rx: Javad Delta TRE-G3TH Ant: Leica AR25 Rover-Station: Rx 1: Javad Delta TRE-G3TH Rx 2: Septentrio AsteRx3 HDC Ant: Leica AX1202GG Verwendete Datensätze: statisch: Null-Basislinie (NBL) statisch: Kurze Basislinie (KBL) 5m Kurze BL mit kontrollierten Vibrationen: vertikal sinusförmig (2Hz) 12.4cm Amplitude C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 3

4 Flugexperiment Referenz-Station: Rx: Javad Delta TRE-G3TH Ant: Leica AR25 Rover-Stationen (Flugzeug): Rx B: Javad Delta TRE-G3TH Rx L: Septentrio AsteRx3 HDC Rx R: Septentrio AsteRx3 HDC Ant: Novatel NOV512 Verwendete Datensätze: Kurze BL statisch: Basislinien-Längen 6-12m (Flzg) Motor aus Kurze BL mit Vibrationen: Basislinien-Längen 260m (Ref. zu Flzg) Motor an (Rotoren drehen) C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 4

5 Relative Positions-Schätzung Null-BL & statische Kurze BL: keine Schätzung notwendig Verwendung der verkürtzten Beob.: l = OMCDD Kurze BL mit Vibrationen: Mathematisches Modell für Doppeldifferenzen (DD): l + v = [A coo A amb ] [ ] bcoo b amb [Kaplan et.al.,2006] 1. Blockausgleichung mit voreliminierten epochenweisen Koordinaten 2. Anbringen der geschätzten Mehrdeutigkeiten an die l 3. Epochenweise Ausgleichung (ohne Voreliminierung) Parameter: Broadcast Orbits, Elevationsmaske:10, cos2-gewichtung Verwendung von Verbesserungen: v Geometrie-Anteil von restlichen Anteilen getrennt C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 5

6 Statische 100Hz Null-Basislinie (Javad - Septent.) Allan-Abweichung der DD-Verbesserungen pro PRN C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 6

7 Statische 100Hz Null-Basislinie (Javad - Septent.) Allan-Abweichung der DD-Verbesserungen pro PRN C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 6

8 Statische 100Hz Null-Basislinie (Javad - Septent.) Allan-Abweichung der DD-Verbesserungen pro PRN Unabhängiges (weißes) Rauschen ab ca. τ > 1 BW P LL Korreliertes (farbiges) Rauschen für 100Hz Messungen C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 6

9 Statische 100Hz Null-Basislinie (Javad - Septent.) Allan-Abweichung der DD-Verbesserungen pro PRN Unabhängiges (weißes) Rauschen ab ca. τ > 1 BW P LL Korreliertes (farbiges) Rauschen für 100Hz Messungen C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 6

10 Statische 100Hz Null-Basislinie (Javad - Septent.) Allan-Abweichung vs. Autokorrelations-Funktion Unabhängiges (weißes) Rauschen ab ca. τ > 1 BW P LL Korreliertes (farbiges) Rauschen für 100Hz Messungen C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 6

11 Statische kurze 100Hz Basislinie (Allan-Abw. der DD-Verb. pro PRN) C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 7

14 Kurze 100Hz Basislinie mit Flugzeug-Vibrationen (1) Powerspektrum der Koordinatenlösung Referenz-Basis Hoch Nord Ost Amplitude [m] Frequenz [Hz] Powerspektrum der IMU im Flugzeuginnern Amplitude [m/s 2 ] right forward down Frequenz [Hz] C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 8

15 Kurze 100Hz Basislinie mit Flugzeug-Vibrationen (2) Allan-Abweichungen der DD-Verbesserungen pro PRN Referenz-Basis: Referenz-Links: weniger deutliches Weißes Rauschen Bandbreite der unabhängigen Messungen kleiner (verglichen mit statisch) C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 9

16 Kurze 100Hz Basislinie mit kontrollierten Vibrationen (1) Koordinatenlösung Referenz-Rover Powerspektrum der Koordinatenlösung Nord [m] Ost [m] Hoch [m] x x Minuten seit Tagesbeginn Amplitude [m] Nord Ost Hoch Frequenz [Hz] Geometrie-Anteile werden richtig geschätzt systematische Überschwingungen und Phasen-Latenzen nachgewiesen in [Bischof & Schön,2013] C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 10

17 Kurze 100Hz Basislinie mit kontrollierten Vibrationen (2) Allan-Abweichungen der DD-Verbesserungen pro PRN Verbesserungen mit 2Hz Signal kontaminiert C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 11

18 Kurze 100Hz Basislinie mit kontrollierten Vibrationen (2) Allan-Abweichungen der DD-Verbesserungen pro PRN Verbesserungen mit 2Hz Signal kontaminiert Trotz Schwingungs-Signal unabhängige Messungen vorhanden C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 11

19 Zusammenfassung Rausch-Analyse der statischen Null-Basislinien Korrelationen für τ < 1 BW P LL gilt für Trägerphasen-Doppeldifferenzen (Javad-Septentrio) Rausch-Analyse der statischen Kurzen Basislinien Korrelation gleich wie bei Null-BL, ab ca. 1Hz starke Korrelationen unkorrelierte Messungen ungefähr zwischen 10Hz und 1Hz genaue Grenzen von Empfänger-Konstellation &-Einstellungen abhängig Rausch-Analyse der vibrierenden Kurzen Basislinien Fazit systematische Signale in Verbesserungen unabhängige Messungen auch bei hohen Beschleunigungen vorhanden Mittelung von 10Hz auf 1Hz zur Rauschreduktion sinnvoll Modellierung der Messkorrelationen in Kalman Filter für > 10Hz sinnvoll C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 12

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit. C. Bischof A. Lengsfeld S. Schön Institut für Erdmessung Schneiderberg 50 D Hannover, Germany phone fax web mail {bischof schoen}@ife.uni-hannover.de Leibniz Universität Hannover Institut für Erdmessung Danksagung Finanziert durch das Land Niedersachsen, Deutschland ("Bürgernahes Flugzeug Nachwuchsfond"). Many thanks to Institut für Statik und Dynamik, Leibniz Universität Hannover (provided shaker), Institut für Flugführung, Technische Universität Braunschweig. C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 13

21 Statische kurze 100Hz Basislinie - DD-Verb. Flugzeug: Links-Rechts Rütteltisch: Referenz-Rover DD Residuen [m] DD Residuen [m] Minuten seit Tagesbeginn [s] Minuten seit Tagesbeginn C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 14

22 Kurze 100Hz Basislinie Flugzeug-Vibr. - DD-Verb. Flugzeug: Referenz-Basis Flugzeug: Referenz-Links DD Residuen [m] DD Residuen [m] Minuten seit Tagesbeginn Minuten seit Tagesbeginn C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 15

23 Kurze 100Hz Basislinie kontrollierte Vibr. - DD-Verb. Rütteltisch: 2Hz-Schwingung Rütteltisch: 2Hz-Schwingung, Zoom DD Residuen [m] DD Residuen [m] Minuten seit Tagesbeginn Minuten seit Tagesbeginn C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 16

24 IMU-Lösung: nach [Boore et al.2005] 1. Subtraktion des Mittelwerts der vertikalen Beschleunigung 2. zweifache Integration für Positionsbestimmung 3. Filterung mit 5th-order Butterworth zero-phase Filter (Grenzfrequenz: 0.03Hz) 3Hz, 10Hz PLL BW C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 17

25 Referenzlösungen (2) Schwingungsschätzung:... durch vertikale Komponente der GPS-Positionslösung X up + v = A sin(ωt + φ) (Geschätzte Parameter in rot) φ ist nicht zuverlässig schätzbar (daher wird Latenz von IMU-Kreuzkorrelation verwendet) Verbesserungen v enthalten noch zufälligen PLL-Jitter, Mehrwegeeffekte und restliche systematische Fehler C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 18

26 Rütteltisch-Experiment - Ergebnisse (1) Dynamik-Vergleich bezüglich IMU und Schwingungsschätzung (25Hz PLL BW) Nov. Sept. Javad Sensor Freq. RMS Amplitude Latenz Freq.-Offset [Hz] [mm] [mm] ([%]) [sec] [10 6 Hz] (-6) (6) (24) (-2) (32) (66) (-3) (26) (29) Tabelle: RMS{GPS,IMU} in vertikaler Komponente, mit geschätzten Parametern Amplitude und Frequenzoffset (=f IMU f GP S ), und der Latenz aus der Kreuzkorrelation. Als Referenz-Amplituden gelten jene der Schwingungsschätzung aus der vertikalen Komponente der IMU für 1Hz, 2Hz und 3Hz: 33.79mm, 33.68mm und 33.62mm. C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 19

27 Rütteltisch-Experiment - Ergebnisse (2) PLL Bandbreiten-Vergleich bezüglich IMU und Schwingungsschätzung (3Hz Oszillation) Sensor Javad Septent. PLL BW RMS Amplitude Latenz [Hz] [mm] [mm] ([%]) [sec] (66) (24) (15) (66) Tabelle: RMS{GPS,IMU} in vertikaler Komponente, mit geschätztem Parameter Amplitude, und der Latenz aus der Kreuzkorrelation. Als Referenz-Amplituden gelten jene der Schwingungsschätzung aus der vertikalen Komponente der IMU für PLL-Bandbreiten von 10Hz und 25Hz: 33.62mm und 33.62mm. C. Bischof, A. Lengsfeld, S. Schön Geodätische Woche 2014, Berlin 8. Oktober 2014 Slide 20