GNSS/INS-basert dypgåendekalibrering og vannstandsmåling.

GNSS/INS-basert dypgåendekalibrering og vannstandsmåling. S. Roemer, L.K. Nesheim, Sjøkartverket Geodesi & Hydrografidagene, 2015

Innhold Innledning Testområde, formål Prinsipp Skisse Basisformel Data og programvare Parameterestimering og resultater Verifiseringsmuligheter Validering, verifisering HREF2000 og vannoverflate Konklusjoner Test Søre Sunnmøre Verifisering med uavhengige data TopoBaty 3/24

Innledning Testområde, formål Vannstandsstasjoner Breivik Dale Jåttavågen Kalvøy (Stavanger, permanent) Hydrograf Attitydekalibrering Dypgåendekalibrering 18.02.2015 16:00 18:35 (trimendring i måleperioden) 19.02.2015 15:50 18:40 (konstant trim) 4/24

Prinsipp Skisse antennens trajektorie (kor. for vannstandsendringer) vannstandsendring Si GNSS antenne trajektorie til R, kor.for mom.vannstand R traj. kor. for... dypgaaende momentan vannstand IMU dyp. rotasjonssenter R estimert stasjonsbias Sj offset? middelvann...... middelverdi i maaleperioden MIDDELVANN havets topografi datum: hoeydens tyngdepunkt (~42) potensialflate, geoidemodell offset? geoideundulasjon ellipsoide 5/24

Prinsipp Basisformel Basisformel per epoke H GNSS p i (H i + h i ) = f(v)+t(r,s, X)+hiv +ǫ (1) H GNSS. obs. ell. høyde (korrigert for ocean tide loading) p i... vekt (1/sjødistanse mellom båt og vannstandsmåler i) H i + h i obs. ell. vannstand på stasjon i (interpolert til båtens posisjon med å ta hensyn til sjøavstand ) f(...).. høydeendring p.g.a. båtens hastighet gjennom vannet t(...).. koordinattransformasjon (rotasjon: r ull, stamp) mellom GNSS-antenne og rotasjonssenter ( X, Y, Z) hiv... båtens hiv-bevegelse i rotasjonssenteret ǫ... restfeil, måleusikkerhet 6/24

Prinsipp Basisformel Problemer 1. f(v) er vanligvis en del av hiv 2. båtens rotasjonssenter er ukjent 3. ell. høyde H i av vannstandsmålerne ble ikke målt 4. hver vannstandsmåler i har en ukjent nullpunktsfeil Bernulli: vannfortrenging, planing, S-(vekts)funksjon 1 f(v) = A 0 +C 1 v 2 (1+e (Bvv+Av)) + A 2 +B 2 v +C 2 v 2 ( 1+e (B vv+a v) ) (2) Avstand mellom GNSS-antennen og båtens rotasjonssenter t(r,s, X) = cos(r)sin(s) X +sin(r) Y +cos(r)cos(s) Z (3) ukjent: A 0,C 1,A 2,B 2,C 2,A V,B V, X + H i per stasjon målt: H GNSS, r(ull), s(tamp), relativ vannstand h i per stasjon hastighet v (beregnet fra båtens posisjon og tidsstempling) 1 S-funksjonen beskriver båtens attityde (stamp) 7/24

Prinsipp Data og programvare GNSS- og INS-data utstyr Seapath 330+ 1 Hz GNSS (2 antenner) 200Hz IMU GNSS- og INS-data prosessering ( TerraPos ) 2 antenner GPS og GLONASS tettkobling (kombinasjon på rådatanivå) PPP, DGNSS(!) spesialtilpasning: dypgåendetabell (hiv) Vannstand utstyr, data og konvertering ( Tide ) trykkmåler (registrerer 1-minutts-middelverdier) profilmåler (dybde, vannets tetthet) Tide : konvertering fra trykk til metrisk vannstand 8/24

Prinsipp Data og programvare Vannstand interpolasjon til båtens posisjon ( SjøDstIntPol ) kystlinje vannstandsserier med posisjon båtens posisjon sjøavstander (korteste avstander på sjøen) mellom vannstandsmålerne og båten brukes til å beregne en vektet vannstand til båtens posisjon 9/24

Prinsipp Data og programvare 10/24

Prinsipp Data og programvare Felles utjevning av GNSS, INS og vannstand ( TEST ) observert vannstand (stasjoner), sjøavstander til båten båtens horisontalposisjon (HASTIGHET) og HØYDE rull-, stampobservasjoner (rotasjonssentrum) minste kvadraters metode for å estimere parametere for dybgående, rotasjonssenter, vannstandsstasjoner 11/24

Prinsipp Data og programvare ( felles utjevning ) antennens trajektorie (kor. for vannstandsendringer) vannstandsendring Si GNSS antenne trajektorie til R, kor.for mom.vannstand R traj. kor. for... dypgaaende momentan vannstand IMU dyp. rotasjonssenter R estimert stasjonsbias Sj offset? middelvann...... middelverdi i maaleperioden MIDDELVANN havets topografi datum: hoeydens tyngdepunkt (~42) potensialflate, geoidemodell offset? geoideundulasjon ellipsoide 12/24

Prinsipp Parameterestimering og resultater 13/24

Prinsipp Parameterestimering og resultater 1. Dybgåendeparameter 2. Koordinater for båtens rotasjonssenter 3. Stasjonsparameter (vannstand) Hva kan parameterne brukes til? 1. Dybgåendeparameter, koordinater for båtens rotasjonssenter hiv (uten akselerasjonseffekter) 2. Stasjonsparameter nivåjustering av vannstandsseriene interpolasjon av ellipsoidisk 2 vannstand til båtens posisjon 3. Korreksjon av båtens GNSS-høyde (rotasjonssenter) for rull, stamp, hiv ellipsoidisk vannstand eller vannstandsendringer Vannstand, middelvann, LAT/sjøkartnull over ellipsoiden 2 istedenfor relativ vannstand, vannstandsendringer 14/24

Prinsipp Verifiseringsmuligheter Hvordan kan vannstand og stasjonsparameterne verifiseres? uavhengig måling: til slutt, hvis det er tid til overs jordens tyngdefelt: Stasjonsparameter s i : s ij nivellerte høydedifferanser ikke gjennomført i Gandsfjorden planlagt i Søre Sunnmøre Ellipsoidisk vannstand: (kvasi)geoidemodell offset havets topografi rotasjonssenter momentan vannoverflate momentan vannoverflate middelvann middelvann MIDDELVANN datagridding (lite avansert, god nok for å få et første inntrykk) 15/24

Validering, verifisering: HREF2000 venstre: HREF2000 langs båtens trajektorie høyre: Neglisjerbare glattingseffekter ifm gridding (250mx250m) 16/24

Validering, verifisering: HREF2000 og vannoverflate venstre: HREF2000 langs båtens trajektorie høyre: Ellipsoidisk høyde av båtens rotasjonssenter korrigert for dybgående, hiv og vannstandsendringer 17/24

Validering, verifisering: Vannoverflate HREF2000 Differanse Vannoverflate HREF2000 σ H = ±12mm KUN PEKEPINN: observasjonstid systematiske feil? gridding suboptimal HREF for glatt? 18/24

Validering, verifisering: Standardavvik og observasjonstid venstre: GNSS/INS-data: repeterbarhet (standardavvik per celle) høyre: Observasjonstid per celle ( obs.tid kan bety standardavvik men en mer pålitelig middelverdi) 19/24

Validering, verifisering Konklusjoner Gandsfjorden Godt sammensvar mellom HREF2000 og vannoverflate Det trengs en mer avansert beregningsmetode enn gridding! HREF-modellen kan brukes til å interpolere/ekstrapolere en middelvannsflate 3 (interpolasjonsusikkerhet: < ±2cm) Ellipsoidisk vannoverflate + offsets kan brukes som justeringspunkt i HREF-modellen Neste skritt Offsetkorreksjon: R, MIDDELVANN, havets topografi (perm. vannstand Stavanger, temp. vannstand Gandsfjorden) HREF-modellberegning Hvorvidt kan gravimetriske standardmetoder brukes? mer omfattende undersøkelse og test... 3 som trengs for å interpolere/ekstrapolere en flate for LAT/sjøkartnull 20/24

Validering, verifisering: Test Søre Sunnmøre Prosjekt Felles referanseramme (geoide, middelvann,..., ellipsoide) Gravimetri (luft, land, sjø) Nivellement, GNSS Laser (vannoverflaten)? båtbasert GNSS/INS-vannstand klassisk vannstandsmåling fjordoverføring ( hydrostatisk nivellement) 21/24

Litteratur Agnew, Duncan Carr. (2012). SPOTL: Some Programs for Ocean-Tide Loading. UC San Diego: Scripps Institution of Oceanography. Retrieved from: http://escholarship.org/uc/item/954322pg Narve S. Kjørsvik, Jon G. O. Gjevestad, Even Brøste, Kenneth Gade, Ove-Kent Hagen Tightly coupled precise point positioning and inertial navigation systems. Lavrov, D., Even-Tzur G. and Reinking, J. (2015). Extraction of geoid heights from ship borne GNSS measurements along the Weser River in northern Germany. Journal of Geodetic Science Reinking, J. and Härting, A. (2014). Ship-based Oceanwide Observation of Sea Surface Heights in Consideration of Hydrodynamic Corrections. FIG Congress 2014 22/24

Verifisering med uavhengige data TopoBaty 26 flystriper med grønn laser langs kysten i Gandsfjorden gode værforhold (lite vind, små bølger < ± 20cm) 1. data fra vannoverflaten (99% persentil av data fra vannkroppen) 2. data fra vannkroppen (overflate nedover) GPS-tid, ellipsoidisk bredde, lengde og høyde korrigert for vannstand (Stavanger) fjerning av data fra vanskelige områder spots med punkttetthet > 2 punkt/100m 2 (25m x 25m) outliereliminering med vekt på å forkaste data fra vannkroppen (hele området og 500m x 500m) gridding (500m x 500m) krysningspunktanalyse av overlappende celler eliminering/minimering av mulig offsets mellom flystripene identifikasjon av konsistente celler (standardavvik <3cm) ca. 0.5% av data ble brukt for å beregne vannoverflaten 23/24

Verifisering med uavhengige data TopoBaty venstre: 17cm offset (laser HREF), ±3cm standardavvik høyre: Laserdata: intern standardavvik ±6cm, variabilitet 24/24