Precise Flight Trajectory Reconstruction Based on Time-Differential GNSS Carrier Phase Processing [Elektronische Ressource] / Johannes Philipp Traugott. Gutachter: Gottfried Sachs ; Oliver Montenbruck ; Florian Holzapfel. Betreuer: Gottfried Sachs

Johannes Philipp Traugott

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 34
• Langue: Deutsch
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Extrait

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
Lehrstuhl für Flugsystemdynamik
Precise Flight Trajectory Reconstruction
Based on Time-Differential GNSS
Carrier Phase Processing
Johannes Philipp Traugott
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen
Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Boris Lohmann.
Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Gottfried Sachs (i.R.)
2. Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Oliver Montenbruck
3. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Florian Holzapfel
Die Dissertation wurde am 28.10.2010 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen
am 24.02.2011 angenommen.Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-
arbeiter am Lehrstuhl für Flugmechanik und Flugregelung (ab 2008: Lehrstuhl für
Flugsystemdynamik) der Technischen Universität München in den Jahren 2005 bis
2010.
Ich danke dem Inhaber des Lehrstuhls für Flugmechanik und Flugregelung, Herrn
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Gottfried Sachs (i.R.) für die Anregung zu diesem Projekt,
sein großes Interesse und die fortwährende Unterstützung der Arbeit. Ebenso gilt
mein Dank Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Florian Holzapfel, der mir eine Fortführung
der Arbeit am Lehrstuhl für Flugsystemdynamik ermöglichte. Sehr bedanken möchte
ich mich bei Herrn Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Oliver Montenbruck vom GSOC des
DLR in Oberpfaffenhofen. Durch unzählige Ratschläge und durch die Bereitstellung
einer Navigations-Bibliothek unterstützte er mich wesentlich bei der Entwicklung des
vorgestellten Navigationsverfahrens. Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Boris Lohmann
danke ich für die Führung des Prüfungsausschusses.
Mein Dank gilt auch allen Kollegen am Lehrstuhl für ihre Unterstützung und Hilfs-
bereitschaft sowie die stets angenehme und kreative Arbeitsatmosphäre.
Des weiteren gilt mein Dank Frau Dr. Anna Nesterova und Herrn Dr. Francesco
Bonadonna vom Centre d’Ecologie Fonctionelle et Evolutive in Montpellier. Ohne
ihre Hilfe hätte die Vermessung des Fluges von Albatrossen unmöglich realisiert wer-
den können.
Bei den Firmen e-obs, TechnoSmArt und Art-of-Technology bedanke ich mich für
die Unterstützung in allen Hardware Angelegenheiten. Auch diese Hilfe war von
zentraler Bedeutung für das Gelingen des “Projektes Albatros”.
Mein Dank gilt Susanne, die mich während der gesamten Arbeit nach Kräften unter-
stützte und sich selbst durch meine monatelange Expedition zu den Albatrossen nicht
davon abhalten ließ mich zu heiraten!
Besonders danken möchte ich meinen Eltern. Sie haben mich (nicht erst) während der
Jahre meiner Ausbildung auf vielfältige Weise unterstützt und gefördert.
Garching, im Oktober 2010 Johannes TraugottZusammenfassung /Abstract
Die Entwicklung eines Ortungsverfahrens zur präzsisen Flugbahnvermessung mittels
miniaturisierter GNSS (GPS) Empfänger ist das erste Ziel der vorliegenden Arbeit.
Hierbei gilt es eine Möglichkeit zu schaffen, hohe relative Präzision zu erreichen,
ohne dabei auf einen zweiten, nahe gelegenen Referenzempfänger (D-GPS) und (sta-
tische) Initialisierungsphasen angewiesen zu sein. Dies wird durch die Entwicklung
und Implementierung eines zeitdifferentiellen, L1 trägerphasenbasierten Ansatzes zur
Relativpositionierung erreicht. Die Arbeit beinhaltet eine umfassende Untersuchung
des Verfahrens: Die grundlegenden mathematischen Beziehungen werden dargelegt,
theoretische Aspekte der Fehlerfortpflanzung werden hergeleitet, ein effizienter Algo-
rithmus zur Integritätsüberwachung wird vorgestellt und die Auswertung verschie-
dener (Flug-)Versuche erlaubt eine praxisrelevante Validation. Das entwickelte Ver-
fahren bietet dezimetergenaue Relativpositionierung und eröffnet damit ein breites
Spektrum an Einsatzbereichen.
Dies ist die Grundlage für das Erreichen des zweiten zentralen Zieles dieser Ar-
beit: die Vermessung von Flugbahnen wild lebender Albatrosse mit einer Präzisi-
on und Auflösung, die eine lokale flugmechanische Analyse des dynamischen Se-
gelfluges der Vögel ermöglicht. Die Kombination des im Feld sehr einfach umsetz-
baren Zeitdifferenzen-Verfahrens (kein zweiter Empfänger, keine Initialisierung) mit
der Anwendung miniaturisierter und widerstandsfähiger Hardware ermöglichte erst-
mals die Umsetzung eines solchen Vorhabens. Der dynamische Segelflug bietet durch
ein hohes Maß an Energieeffizienz interessante Perspektiven auch für technische An-
wendungen. Mit der energetischen und flugmechanischen Auswertung einzelner ge-
schlossener Flugzyklen der Albatrosse wird ein Beitrag zur Erforschung der bis heute
umstrittenen Mechanismen dieses faszinierenden Fluges geleistet.
The development of a positioning approach based on miniaturized GNSS (GPS) receivers
for precisely measuring flight trajectories is the first of the two central objectives of the present
work. This development is striving to realize high relative precision while overcoming the need
for a second nearby base receiver (D-GPS) or any kind of (static) initialization patterns. This
goal is achieved by the design and implementation of a relative positioning method based on
processing time-differences of raw L1 carrier phase observations. This monograph provides a
comprehensive analysis of the time-difference method: The core equations are exposed, theo-
retical aspects of error propagation are discussed, an efficient integrity monitoring algorithmis presented and the evaluation of various (flight) tests allows for an elaborate practical vali-
dation. Offering decimeter precision, the time-difference positioning method opens up a wide
range of applications.
This is the basis for the achievement of the second central objective: the measurement of
flight trajectories of feral Wandering Albatrosses with a precision and resolution sufficient for
locally analyzing the dynamic soaring flight of the birds from a flight mechanical point of view.
Only the combination of the time-difference method, which is easy to apply even in adverse
field conditions (no second receiver, no initialization) with the use of miniaturized and rugged
hardware firstly allowed the realization of a suchlike project. The efficiency of the dynamic
soaring flight reveals interesting perspectives also for technical applications. With the in-depth
energetic and flight mechanical analysis of individual closed flight cycles a contribution is
made to a better understanding of the mechanisms underlying this fascinating flight.Contents
List of Figures xi
List of Tables xv
Symbols and Abbreviations xvii
1 Introduction 1
1.1 Motivation – Dynamic Soaring of Albatrosses . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Precise GNSS Based Positioning – State-of-the-Art . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Outline of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 GPS Fundamentals 7
2.1 System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Observables: Models and Interrelationships . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Receiver Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.3 Measurement Errors and Correction Models . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Positioning Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 C/A Code Based Single Point Positioning . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Doppler Based Velocity Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 Time-Differential Positioning 33
3.1 The Observable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.1 Time-Differences of Phase Measurements . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2 Error Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Core-Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Stand-Alone Solution between Two Epochs . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Quality Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.3 Impact of Time-Varying Satellite Constellation . . . . . . . . . . . 42
3.3 Kinematic Trajectory Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Two Strategies for Trajectory Reconstruction . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 A Note on Velocity Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Quality and Integrity Monitoring 55
4.1 Error Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Noise Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
vii4.1.2 Error Drift Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.3 Quality Monitoring of Static Sample Data . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 RAIM: Outlier and Cycle Slip Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.1 Cycle Slips and Outliers in Carrier Phase Observations . . . . . . 60
4.2.2 Detection and Exclusion Using Time-Differences . . . . . . . . . 61
4.2.3 Performance Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Quality a