Title: Verortung hydrographischer Aufnahmen von kleinräumigen Gewässern mittels GPS und MEMS IMU
Other Titles: Positioning of sonar or echosounding data of small-scale water bodies using GPS and MEMS IMU
Language: Deutsch
Authors: Harreither, Eva Maria 
Qualification level: Diploma
Advisor: Wieser, Andreas
Issue Date: 2011
Number of Pages: 69
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Zur hydrographischen Vermessung von großen und mittleren Gewässern werden zumeist Sonar- und Echolotsysteme eingesetzt. Für die Verortung von Echolotdaten werden häufig RTK-GPS oder Totalstationen eingesetzt. Für die Verortung von Sonardaten benötigt man zusätzlich die räumliche Orientierung des Sonarsystems. In dieser Arbeit wurde die Eignung eines kostengünstigen Messsystems basierend auf einem Einfrequenz-GPS-Empfänger und einer MEMS IMU zur Bestimmung der Position und Orientierung eines hydroakustischen Sensors untersucht. Zusätzlich wurde ein Magnetometer zur azimutalen Stabilisierung des Messsystems eingesetzt. Kostengünstige Inertialsysteme weisen große Fehler auf, die mit Hilfe von der Positions- und Geschwindigkeitsinformation aus GPS-Beobachtungen ausgeglichen werden können. Die Kombination der Sensordaten erfolgte in der institutseigenen Kalman Filter Software. Zur Einbindung der Azimutbeobachtungen mussten neue Algorithmen in die Software eingearbeitet werden. Das Kalman Filter benötigt genaue Rauschparameter zur Charakterisierung der IMU-Qualität; diese Parameter wurden in einem Laborversuch mit Hilfe der Allan Varianz abgeschätzt. Eine hydrographische Vermessung wurde durchgeführt um reale Messdaten für die weitere Analyse zu erhalten. Die Messdaten wurden in der adaptierten Software prozessiert. Die Analyse der prozessierten Messdaten und der daraus abgeleiteten Gewässersohle zeigte, dass die erwünschte Genauigkeit von 10 cm (1-sigma) bei einer Wassertiefe von 15m mit dem untersuchten kostengünstigen Messsystem erreich bar ist. Im Zuge der Arbeit wurde jedoch auch Verbesserungspotential identifiziert, vor allem betreffend die Verarbeitung von Daten, die während der Wendemanöver anfallen.

The most economical methods for surveying medium and large inland water bodies are based on sonar and echo sounding systems. Today RTK-GPS or total stations are used to position the echo sounding system.
3D orientation is needed as well to position sonar data.
In this thesis the development of an integrated low-cost navigation system based on GPS and MEMS inertial sensors for the determination of position and attitude of the echo sounding system is investigated. A magnetometer is used to estimate the azimuth and is essential to stabilize the whole measurement system. Low-cost inertial sensors exhibit large errors which can be compensated using information on position and velocity as provided by GPS. The data of the individual sensors are combined in a Kalman filter software. New algorithms to include azimuth observations were added to the software.
The Kalman filter relies on the correct quantification of the noise parameters of the MEMS IMU, which were determined in a laboratory test using the Allan Variance method.
A hydrographic survey was carried out in order to assess the algorithms using real data. The assessment shows that the proposed system should be further improved especially with respect to measurements during sharp turns. However, the results also indicate that the desired accuracy of 10 cm (1-sigma) with water depths of 15 m can be achieved using single-frequency GPS, a MEMS IMU and a magnetometer for positioning and orienting the hydrographic sensors.
Keywords: MEMS IMU; Kalman Filter; Magnetometer; Hydrographie; Echolot; kostengünstig; Verortung; Positionierung
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-41652
http://hdl.handle.net/20.500.12708/12304
Library ID: AC07809725
Organisation: E120 - Institut für Geodäsie und Geophysik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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