Entwicklung einer direkten Georeferenzierungseinheit zur Positionsund Orientierungsbestimmung leichter UAVs in Echtzeit

Abstract

Seit einigen Jahren werden im Bereich der Geodäsie immer häufiger auch Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) als kinematische Trägerplattformen eingesetzt. Dazu werden diese mit objekterfassender Sensorik, wie z.B. Digitalkameras oder Laserscannern, ausgestattet. Ein wesentlicher Schritt zur Nutzung von UAVs für geodätische Anwendungen ist die Georeferenzierung, d.h. die Herstellung eines Raumbezugs der während eines Fluges aufgenommenen Daten.<br> In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer direkten Georeferenzierungseinheit zur Positions- und Orientierungsbestimmung leichter UAVs in Echtzeit beschrieben, wobei der Begriff direkt hier bedeutet, dass die Georeferenzierung über ein fest mit dem UAV verbundenes Multisensorsystem realisiert wird. Als Sensoren kommen dabei Global Positioning System (GPS)-Empfänger, Inertialsensoren und Magnetfeldsensoren zum Einsatz. Da in der Geodäsie meist Micro-UAVs verwendet werden, die eine Gewichtsobergrenze von 5 kg aufweisen, spielen Gewichts-, Platz- und Stromversorgungslimitationen hier eine wesentliche Rolle. Daraus folgt insbesondere, dass für die direkte Georeferenzierung ausschließlich kleine und leichte, auf MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Technologien basierende, Inertialsensoren zum Einsatz kommen können, deren Beobachtungen aufgrund temperatur- und zeitabhängiger Abweichungen schon nach kurzer Zeit zu einer signifikanten Drift in der Positions- und Orientierungsbestimmung führen. Um dennoch hohe Genauigkeiten (z.B. Position: 5 cm, Orientierung: 0.5 deg) in der direkten Georeferenzierung eines UAVs gewährleisten zu können, ist eine hohe Verfügbarkeit an präzisen GPS-Trägerphasenbeobachtungen von enormer Bedeutung. Daraus folgend werden in dieser Arbeit insbesondere die folgenden Aspekte thematisiert:<br> 1) GPS-Trägerphasenbeobachtungen sind mehrdeutig. Da es unter kinematischen Anwendungen häufig zu GPS-Signalunterbrechungen kommen kann, die jeweils ein erneutes Lösen der Mehrdeutigkeiten der Trägerphasenbeobachtungen zur Folge haben, werden in dieser Arbeit Verfahren zur schnellen Mehrdeutigkeitslösung erarbeitet und evaluiert, mit denen auch unter schwierigen GPS-Bedingungen eine hohe Verfügbarkeit an Trägerphasenbeobachtungen ermöglicht werden kann.<br> 2) Zur Realisierung hoher Genauigkeiten und einer hohen Zuverlässigkeit wird in Algorithmen zur Sensorfusion redundante Information verschiedener Sensoren möglichst gut kombiniert. Um auch mit schwierigen GPS-Bedingungen gut umgehen zu können, erfolgt die Sensorfusion in dieser Arbeit unter anderem auf Ebene von GPS-Rohdaten in einer tightly-coupled GPS/MEMS-IMU-Integration. Auf diese Weise können auch dann GPS-Trägerphasenbeobachtungen in die Positions- und die Orientierungsbestimmung des UAVs mit einfließen, wenn weniger als vier Satelliten sichtbar sind. Der Vergleich der Ergebnisse einer tightly-coupled zu einer loosely-coupled Auswertung verdeutlicht den Genauigkeitsgewinn, der durch eine tightly-coupled Auswertung unter schwierigen GPS-Bedingungen möglich ist.<br> 3) Die zuvor angesprochenen Algorithmen werden auf einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Multisensorsystem zur direkten Georeferenzierung leichter UAVs angewandt. Die Ergebnisse von Testmessungen mit einem Multikopter-UAV und tragbaren Testsystemen verdeutlichen, dass mit dem entwickelten Multisensorsystem Genauigkeiten von &lt; 5 cm in der Position und &lt; 0.2 deg in der Orientierung (Roll, Pitch und Yaw) erreicht werden können, wenn GPS-Trägerphasenbeobachtungen verfügbar sind. <br> Im Gesamten gibt diese Dissertation einen detaillierten Einblick in die Entwicklung von Algorithmen und eines Multisensorsystems zur direkten Georeferenzierung leichter UAVs in Echtzeit. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind jedoch nicht nur für UAVs gültig, sondern auch auf andere mobile Objekte, wie z.B. Autos, Schiffe oder Flugzeuge übertragbar. Damit leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zu einem aktuellen Trend in der Ingenieurgeodäsie, wonach die Vermessung zunehmend über Mobile-Mapping-Systeme, d.h. über die Verwendung flächenhaft abtastender Sensoren auf mobilen Trägerplattformen, erfolgt.

<td><strong>Development of a direct georeferencing system for the position and attitude determination of lightweight UAVs in real-time</strong><br> In recent years, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been used increasingly as mobile mapping platforms for kinematic applications in the field of geodesy. For this purpose a UAV is usually equipped with a mapping sensor, such as a camera or a laserscanner. A major step to make the collected data useful for surveying applications is the georeferencing, which associates the images or range measurements and the derived products (point clouds, orthofotos, 3D models) with a spatial reference.<br> In this dissertation the development of a direct georeferencing system for real-time position and attitude determination of lightweight UAVs is presented. The term „direct“ means that the georeferencing is based on an onboard multi-sensor system. Sensors, which are typically used in this context, are GPS (Global Positioning System) receivers, inertial sensors and magnetometers. For geodetic UAV-applications Micro-UAVs are usually applied, which have a weight limit of 5 kg. Therefore, weight, size and power supply constraints play an important role here. As a result of these limitations inertial sensors based on MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology are mostly used. This technology enables the compliance with size and weight limits, but it also leads to significant drift effects in the position and attitude determination after a short period of time. To bound these drift effects and to be able to pro-vide high accuracies (e.g. position: 5 cm, attitude: 0.5 deg) in the direct georeferencing of a Micro-UAV, a high availability of precise GPS carrier phase measurements is crucially important. As a consequence the following aspects will be addressed in this dissertation:<br> 1) GPS carrier phase measurements are ambiguous by an unknown number of integer cycles. These ambiguities have to be resolved after every loss of lock of the satellite signals to fully exploit the high accuracies of the carrier phase observables. Since the satellite signals are interrupted frequently during kinematic applications, procedures are developed, implemented and evaluated, which enable a fast ambiguity resolution and allow for a high availability of GPS carrier phase measurements under challenging GPS measurement conditions.<br> 2) With the aim to realize high accuracies and a high robustness, redundant information from several sensors is integrated in a sensible manner in sensor fusion algorithms. In order to be able to deal with challenging GPS measurement conditions, the sensor fusion is realized at the level of GPS raw measurements in a tightly-coupled GPS/MEMS-IMU integration algorithm. In this way GPS carrier phase measurements can even be used, if less than four satellites are visible, which also increases the availability of a precise position estimation. The accuracy improvements of a tightly-coupled over a loosely-coupled integration during chal-lenging GPS measurement conditions are investigated.<br> 3) The algorithms are implemented on a multi-sensor system, which has been developed for the direct georeferencing of lightweight UAVs in this dissertation. Results of flight tests and measurements with a portable test system demonstrate that the developed direct georeferencing system leads to position accuracies of less than 5 cm and attitude (roll, pitch, yaw) accuracies of less than 0.2 deg, if GPS carrier phase measurements are available.<br> Overall, this dissertation gives detailed insights into the development of algorithms and a multi-sensor system for the direct georeferencing of lightweight UAVs in real-time. The findings gained in this thesis are not only valid for the position and attitude determination of lightweight UAVs but also for other mobile platforms, such as cars, ships, airplanes or railborne vehicles. Therefore, this work makes an important contribution to a current trend in the field of engineering geodesy, where mapping, monitoring and also setting-out is more and more realized using mobile mapping systems.</td>