Heft 67/2000

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 67/2000

STERNBERG, Harald

Zur Bestimmung der Trajektorie von Landfahrzeugen mit einem hybriden Meßsystem

Dissertation
V, 159 S.

Auflage:  450

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung


 


Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuß:  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Wirth
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Caspary
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. E. Groten
(TU Darmstadt)

Diese Dissertation wurde am 12. Mai 1999 bei der Universität der Bundeswehr München eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  14. September 1999
 



Inhaltsverzeichnis

1.  Einführung 1
 
2.  Multisensorsysteme zur kinematischen Vermessung 7
     2.1  Koordinatensysteme 7
     2.2  Bestimmung von Objektkoordinaten 10
     2.3  Multisensorsysteme 12
            2.3.1  Sensorzentrierung und Koordinaten-
                      transformationen

12
            2.3.2  Zeitliche Zuordnung der Beobachtungen
                      (Synchronisation)

15
            2.3.3  Räumliche Zuordnung der Beobachtungen
                      (Zentrierung im Fahrzeugsystem)

15
            2.3.4  Optimaler Systemaufbau durch Ausnutzung
                      komplementärer Sensor-Eigenschaften

16
 
3.  Positions- und Lagewinkelbestimmung mit inertialen
     Navigationssystemen (INS)

19
     3.1  Navigationsgleichungen für ein strapdown INS 19
            3.1.1  Messung der Beschleunigungen 20
            3.1.2  Modellierung der Störbeschleunigungen 20
            3.1.3  Messung der Drehraten 23
            3.1.4  Modellierung der Nachführdrehrate 26
            3.1.5  Modellierung der Orientierung des Systems 26
            3.1.6  Anfangsausrichtung 28
            3.1.7  Kontrolle der systematischen Meßabweichungen 30
     3.2  Messung der Lagewinkel 31
            3.2.1  Lagewinkelmessung des Litton Land Navigator
                      Systems

32
            3.2.2  Korrektur und Umrechnung der Neigungswinkel
                      in Drehwinkel

33
            3.2.3  Glättung der Drehwinkel und Drehraten 35
 
4.  Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung mit dem
     Global Positioning System (GPS)

41
     4.1  Beobachtungsgrößen des GPS 42
            4.1.1  Codemessung 42
            4.1.2  Trägerphasenmessung 43
            4.1.3  Messung von Dopplersignalen 43
     4.2  Auswertekonzepte für die Positionsbestimmung mit GPS 45
            4.2.1  Statische Verfahren zur Positionierung mittels
                      Differenzbildung

45
            4.2.2  Kinematische Positionierungsverfahren 47
            4.2.3  Phasen-geglättete Codesignale 48
            4.2.4  Echtzeitverfahren 51
            4.2.5  Lagemeßsysteme 52
     4.3  Filteralgorithmen zur Berechnung von Position und
            Geschwindigkeit

53
            4.3.1  Zustandsgleichungen für Stillstand und Bewegung 55
            4.3.2  Beobachtungsmodelle 58
            4.3.3  Das GPS Kalman-Filter mit optimaler Glättung 59
     4.4  Transformation des Zustandsvektors in das Fahrzeugsystem 63
            4.4.1  Transformation der Ergebnisse in das Fahrzeugsystem 63
            4.4.2  Verebnung der Position und der Geschwindigkeit 64
 
5.  Neigungs-, Geschwindigkeits- und Höhenbestimmung 69
     5.1  Verarbeitung der Neigungswinkel 70
            5.1.1  Konduktometrische Neigungsmessung 71
            5.1.2  Beschreibung des Sensorverhaltens des
                      Neigungsmessers im Kompensationsmodell

72
            5.1.3  Transformation der Neigungswinkel in das
                      Fahrzeugsystem

74
     5.2  Geschwindigkeitsmessung 76
            5.2.1  Das Korrelationsverfahren als Arbeitsprinzip des DLS 77
            5.2.2  Korrekturgrößen für den exzentrisch angebrachten
                      DLS

78
            5.2.3  Glättung des verrauschten Geschwindigkeitssignals 80
     5.3  Kinematische Höhenbestimmung mit elektronischen
            Barometern

84
            5.3.1  Das Prinzip elektronischer Barometer am Beispiel
                      eines kapazitiven Druckaufnehmers

84
            5.3.2  Anforderungen bei kinematischen Messungen 85
            5.3.3  Dynamische Höhenformel 86
            5.3.4  Glättung der Höhen 91
 
6.  Integration der Subsysteme 95
     6.1  Aufbau des kinematischen Vermessungssystems KiSS 95
            6.1.1  Erfassung und Zuordnung der Meßdaten 95
            6.1.2  Vorverarbeitung der Signale und Bestimmung
                      der Trajektorie

98
     6.2  Fehlermodelle für die Subsysteme 101
            6.2.1  Fehlermodell für die Position und die Geschwindig-
                      keiten als Ergebnis des GPS-Filters

101
            6.2.2  Fehlermodell für die Lagewinkel 101
            6.2.3  Fehlermodell für die Geschwindigkeiten 102
            6.2.4  Fehlermodell für die Neigungswinkel 102
            6.2.5  Fehlermodell für die Höhendifferenzen 103
     6.3  Integrationsmodelle 104
            6.3.1  Dezentralisiertes Filter 104
            6.3.2  Zentralisiertes Filter 106
            6.3.3  Vergleich zentralisiertes und dezentralisiertes
                      Filter

107
     6.4  Bewegungsmodell für einen Körper im Raum 108
            6.4.1  Dynamische und kinematische Bewegungsmodelle 108
            6.4.2  Herleitung der Zustandsgleichung aus dem
                      Bewegungsmodell

110
            6.4.3  Bewegungsmodelle für Koppelnavigationssysteme 111
     6.5  Filteralgorithmen zur optimalen Positions- und Lage-
            bestimmung

112
            6.5.1  Zustandsgleichung 113
            6.5.2  Beobachtungsgleichungen 116
            6.5.3  Stochastisches Modell: Prozeßrauschen und
                      Beobachtungsrauschen

117
            6.5.4  Optimale Glättung 120
 
7.  Numerische Analysen und Bewertungen 123
     7.1  Beschreibung der Teststrecken 123
            7.1.1  Teststrecke auf dem Flugplatz Neubiberg 123
            7.1.2  Teststrecke auf der Landstraße 126
            7.1.3  Teststrecke auf der Bundesautobahn 130
     7.2  Untersuchungen des Inertialsystems 133
     7.3  Numerische Ergebnisse der unterstützenden Sensoren 134
            7.3.1  Skalenfaktorbestimmung für den Weggeber 134
            7.3.2  Statische und kinematische Neigungsmessungen 135
     7.4  Untersuchungen zur Positionsbestimmung mit GPS 136
            7.4.1  Positionsbestimmung mit Lösung der Phasen-
                      mehrdeutigkeit in der Bewegung

136
            7.4.2  Positionsgenauigkeit in Abhängigkeit von der
                      Entfernung zur Referenzstation

137
            7.4.3  Untersuchungen zur Genauigkeit und Zuver-
                      lässigkeit des GPS-Kalman-Filters

137
     7.5  Numerische Betrachtung und Bewertung der Filterlösung 138
     7.6  Genauigkeitsbetrachtungen des Gesamtsystems
            mit Auswertung der CCD Bildpaare

141
 
8.  Zusammenfassung 145
 
Literaturverzeichnis 147
 
Lebenslauf 159
 

 
Zusammenfassung

Der Bedarf an schneller Verfügbarkeit von Informationen über alle Arten von Verkehrswegen wächst ständig an. Viele Automobilhersteller bieten Navigationssysteme an, die auf Grundlage einfacher Navigationsinstrumente wie GPS, Kurskreisel oder Magnetfeldsensoren und Wegsensoren unter Zuhilfenahme einer digitalen Kartengrundlage die Position des Fahrzeuges darstellen und auch Fahrhinweise geben. Für diese Verkehrsführung müssen die Kartengrundlagen und die Zusatzinformationen über die Verkehrswege wie Auslastung durch den Verkehr, Durchfahrtsbreiten und -höhen und ähnliches immer auf dem neuesten Stand sein. Eine traditionelle, terrestrische Vermessung ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht in der Lage, die Aktualität zu erhalten. Luftbildauswertungen ermöglichen zwar die schnelle Verfügbarkeit von geometrischen Informationen, Zusatzinformationen sind damit aber nur schwer erfaßbar. Ein System, das in kurzer Zeit alle geometrischen, topologischen und attributiven Daten erfassen und den Informationssystemen zur Verfügung stellen kann, ist das beschriebene kinematische Vermessungssystem KiSS.

Bei der Realisierung der Erfassung- und der Auswertekomponenten wurde auf Modularität und auf exakte zeitliche und räumliche Zuordnung aller Messungen besonderer Wert gelegt. So werden im ersten Auswerteschritt die Sensoren getrennt voneinander korrigiert und die Meßwerte unabhängig voneinander geglättet. Ausgehend von den Navigationsgleichungen eines inertialen Navigationssystems wurde die Lagewinkelmessung einer INS genauer untersucht. Für die Kompensation von systematischen Abweichungen der Sensoren INS und Neigungsmesser wurden Modelle entwickelt, so daß die Lagewinkel nach der Glättung mit einer Standardabweichung von 0,01° zur Verfügung stehen.

Die Korrekturgrößen für den optischen Wegsensor wurden hergeleitet und die Glättungsalgorithmen für die Geschwindigkeit wurden speziell auf die Fahrzeugbewegung angepaßt, so daß die Geschwindigkeit auf 0,001% geschätzt werden kann. Ein dynamisches Korrekturmodell für das Barometer wurde aufgestellt, das die Geschwindigkeit des Trägerfahrzeuges bei der Ermittlung der Höhe berücksichtigt, so daß nach der Glättung eine Standardabweichung von ungefähr 0,3 m bei guten Meßbedingungen für die Barometerhöhen erreichbar ist.

Die Grundlagen der Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung mit dem GPS wurden in Hinblick auf kinematische Anwendungen dargestellt und ein geeignetes GPS-Filter entwickelt, das als Besonderheit aus Codemessungen und aus Trägerphasenraten die Pseudoentfernungen und Streckenänderungen schätzt, aus denen Position und Geschwindigkeit des Fahrzeuges berechnet werden, ohne auf die Bestimmung der Trägerphasenmehrdeutigkeit angewiesen zu sein. Mit diesem Filteransatz sind kinematische Positionsbestimmungen mit einer Standardabweichung von 0,3 m bis 0,5 m möglich. Die Transformationen wurden hergeleitet, die die Meßergebnisse, dreidimensionale Position und Geschwindigkeit, auf einen gemeinsamen Bezugspunkt reduzieren und in ein ebenes Modell überführen.

Zwei grundsätzliche Integrationsmodelle für die Verknüpfung von inertialen Navigationssystemen mit GPS, das dezentralisierte bzw. das zentralisierte Filter wurden dargestellt und verglichen. Die Bewegungsmodelle und die stochastischen Modelle, die dem Haupt-Kalman-Filter zugrunde liegen, wurden entwickelt. Mit diesem Filteransatz lassen sich die Beobachtungen der verschiedenen Sensoren in einem räumlichen Modell integrieren, das eine Standardabweichung der zweidimensionalen Position des Systems von 0,35 m unter guten bis durchschnittlichen Bedingungen auf Autobahnen und Landstraßen ermöglicht.

Die Ergebnisse der einzelnen Sensoren bzw. der Systeme und das Ergebnis des Hauptfilters wurden auf drei unterschiedlichen Teststrecken analysiert. Schließlich wurde das Gesamtsystem einschließlich der Objekterfassungskomponenten durch einen Vergleich von photogrammetrisch ausgewerteten Objekten mit terrestrisch bestimmten Kontrollpunkten überprüft. Dabei wurde die Absolutgenauigkeit der Positionierung der Objekte mit dem System KiSS in der Ebene mit einer Standardabweichung von besser als 0,5 m bestätigt.

Aus der Punktfolge der berechneten Fahrzeugpositionen lassen sich in einem weiteren Schritt die Trassierungselemente der Straße wie Gerade, Übergangsbogen und Kreis mit zufriedenstellender Genauigkeit ableiten (STERNBERG, CASPARY, 1994). Die Genauigkeit dieser Bestimmungstücke läßt sich aus den Bilddaten durch die automatische Erkennung und Auswertung der Fahrbahnränder noch verbessern.

Durch den modularen Aufbau lassen sich in das bestehende System weitere Sensoren einfach integrieren. Diese könnten die Aufgabe übernehmen, Schwächen des eingesetzten Inertialsystems auszugleichen, das zwar die Orientierung, nicht aber die Bewegungsrichtung im Raum oder die Lage gegenüber der Fahrbahnoberfläche zur Verfügung stellt. Will man beispielsweise die Querneigung der Straße ermitteln, so benötigt man zusätzliche Abstandssensoren, mit denen die Lage der Fahrbahnebene im Raum ermittelt werden kann. Der Anwendungsbereich des Systems könnte auch durch die Integration von Laserscannern zur Erfassung der Fahrbahnoberfläche bzw. zur genauen Ausmessung von Brückenunterquerungen und Tunnels erweitert werden.

Weitere Verbesserungen des Systems können durch Austausch des vorhandenen inertialen Navigationssystems gegen eine inertiale Meßeinheit erzielt werden, die die Rohdaten mit hoher Abtastfrequenz zur Verfügung stellt. Zum Einsatz könnten dazu faseroptische Kreisel oder für hochgenaue Anwendungen Laserkreiselsysteme kommen. Eine Integration der inertialen Meßdaten mit den anderen Sensoren könnte dann in einem zentralisierten Filter mit vollständiger Rückkopplung, wie in Kapitel 6.2.2 beschrieben, realisiert werden.
 


 
Literatur:

STERNBERG, H., CASPARY, W. (1994): Determination of Alignment Elements of surveyed Routes for Geographical Information Systems. Aus: Cannon, M. E., Lachapelle, G. (Hrsg.): International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy, Geomatics and Navigation. Banff, Canada, S. 98-130.
 


 
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