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Modeling and processing approaches for integrated inertial navigation / Yannick Stebler (2013)  

Public Titre : Modeling and processing approaches for integrated inertial navigation Titre original : [Thèse pour l'obtention du grade de docteur ès sciences] Type de document : Thèse/HDR Auteurs : Yannick Stebler, Auteur ; Jan Skaloud, Directeur de thèse Editeur : Zurich : Schweizerischen Geodatischen Kommission / Commission Géodésique Suisse Année de publication : 2013 Collection : Geodätisch-Geophysikalische Arbeiten in der Schweiz, ISSN 0257-1722 num. 89 Importance : 194 p. Format : 21 x 30 cm ISBN/ISSN/EAN : 978-3-908440-34-5 Note générale : Bibliographie Langues : Anglais (eng) Descripteur : [Vedettes matières IGN] Navigation et positionnement [Termes IGN] centrale inertielle [Termes IGN] erreur de positionnement [Termes IGN] estimation de position [Termes IGN] filtre de Kalman [Termes IGN] GPS-INS [Termes IGN] modélisation [Termes IGN] navigation inertielle [Termes IGN] positionnement par GNSS [Termes IGN] redondance de données [Termes IGN] traitement du signal Index. décimale : 30.60 Géodésie spatiale Résumé : (Auteur) L’estimation en tout temps et de façon fiable et exacte de la position, la vitesse et l’orientation d’un véhicule est au coeur de la problématique traitée dans cette thèse. L’usage de filtres Bayésiens pour la fusion de capteurs inertiels avec des systèmes de localisation par satellites constitue l’approche standard permettant de localiser un véhicule, et cela même en l’absence de signaux satellitaires. La qualité des données fournies par de tels systèmes est principalement régie par les erreurs affectant les capteurs inertiels. Cette thèse de doctorat cherche à améliorer la précision de l’estimation du positionnement d’un véhicule dans l’espace en proposant de nouvelles approches à deux niveaux d’étude. Le premier niveau est consacré au développement d’une méthodologie innovante permettant d’estimer des modèles stochastiques de haute complexité. L’analyse théorique de l’estimateur, suivie par des simulations ainsi que des expériences, fournissent le cadre nécessaire à la validation de cette nouvelle approche. Les résultats obtenus démontrent la capacité de cette méthodologie à estimer des modèles pour lesquels les outils conventionnels (par ex. le maximum de vraisemblance, la variance d’Allan) ne fonctionnent pas. La délicate tâche du design de filtres de navigation est ainsi rendue plus aisée. Le second niveau porte sur l’étude de filtres capables de traiter des observations inertielles redondantes. Les bénéfices engendrés par de tels filtres en termes de précision de navigation et d’estimation adaptive du niveau de bruit des capteurs sont analysés et discutés dans le cadre d’expériences. Pour ce faire, un système de navigation inertiel basé sur des micro-capteurs redondants (accéléromètres et gyroscopes) a été construit et installé sur un véhicule. Les résultats obtenus par les nouveaux filtres qui traitent les donnés du système redondant montrent une diminution significative de l’erreur d’estimation de la position, vitesse et orientation du véhicule. De plus, contrairement aux filtres classiques, la configuration redondante est en mesure d’estimer de manière autonome le niveau de bruit de chaque capteur, et ainsi de capter l’influence de la dynamique subie par le véhicule. Le gain de performance et de robustesse ainsi obtenu est attractif pour toutes formes d’applications exigeant une détermination précise et fiable d’une trajectoire. Note de contenu : Introduction A Preliminaries 1 Fundamentals of Integrated Navigation 1.1 Introduction 1.2 Attitude Representations 1.3 Reference Frame Definitions 1.4 Inertial Sensor Observation Model 1.5 Local-level Strapdown Mechanization 1.6 Dynamic Systems 1.7 System Error Dynamics 1.8 State Space Augmentation 1.9 Extended Kalman Filter 1.10 Optimal Smoothing 2 Navigation Filter Implementation 2.1 Introduction 2.2 State Vector Definition 2.3 Filter Prediction Stage 2.4 Filter Update Stage 2.5 Static Coarse Alignment 2.6 INS Fine Alignment 3 Stochastic Processes 3.1 Introduction 3.2 Definition 3.3 Stationarity, Autocorrelation Sequence and Power Spectral Density Function 3.4 White Noise 3.5 Statistical Properties of Linear Systems with Random Inputs 3.6 Stochastic Error Models B Stochastic Modeling 4 Traditional Model Estimation Techniques 4.1 Introduction 4.2 The Challenge of Filter Design 4.3 Assumptions 4.4 Signal Autocorrelation Method 4.5 Variance Methods 4.6 Power Spectral Density Method 4.7 Time Series Analysis Method 4.8 Limitations 5 Likelihood-based Modeling Approach 5.1 Introduction 5.2 Expectation-Maximization Algorithm 5.3 Practical Issues 5.4 Performance Study through Simulations 5.5 Application on Real Data Set 5.6 Limitations 6 GeneralizedMethod of Wavelet Moments 6.1 Introduction 6.2 TheWavelet Variance 6.3 GMWM estimator 6.4 Simulations 6.5 Implementation 6.6 Conclusion 7 Study of Stochastic Errors in Inertial Sensors 7.1 Introduction 7.2 Evaluation in Static Conditions 7.3 Influence on EKF Solution 7.4 Influence of Dynamics on Sensor Errors 7.5 Conclusion C Redundancy in Inertial Observation 8 Estimation Concepts with Redundant Inertial Sensors 8.1 Introduction 8.2 Redundancy in Inertial Navigation 8.3 Assumptions 8.4 Redundancy in Observation Space 8.5 Redundancy in State Space 8.6 Realization of Distributed IMU 9 Redundant INS/GPS Performance 9.1 Introduction 9.2 Experimental Setup 9.3 Campaign Description 9.4 Synthetic IMU Performance 9.5 Geometrically-Constrained EKF Performance 9.6 Overall Navigation Performance Comparison 10 Conclusions and Recommendations 10.1 Contributions and Conclusions 10.2 Recommendations Numéro de notice : 15747 Affiliation des auteurs : non IGN Thématique : POSITIONNEMENT Nature : Thèse étrangère Note de thèse : PhD : Sciences et ingénierie de l'environnement : ETH : 2013 DOI : 10.5075/epfl-thesis-5601 En ligne : http://dx.doi.org/10.5075/epfl-thesis-5601 Format de la ressource électronique : URL Permalink : https://documentation.ensg.eu/index.php?lvl=notice_display&id=62771

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Real-time registration of airborne laser with sub-decimeter accuracy / Jan Skaloud in ISPRS Journal of photogrammetry and remote sensing, vol 65 n° 2 (March - April 2010)  

Public [article]  inISPRS Journal of photogrammetry and remote sensing > vol 65 n° 2 (March - April 2010) . - pp 208 - 217 Titre : Real-time registration of airborne laser with sub-decimeter accuracy Type de document : Article/Communication Auteurs : Jan Skaloud, Auteur ; Philipp Schaer, Auteur ; P. Tome, Auteur ; Yannick Stebler, Auteur Année de publication : 2010 Article en page(s) : pp 208 - 217 Note générale : Bibliographie Langues : Anglais (eng) Descripteur : [Vedettes matières IGN] Lasergrammétrie [Termes IGN] covariance [Termes IGN] données lidar [Termes IGN] données localisées 3D [Termes IGN] GPS en mode différentiel [Termes IGN] GPS-INS [Termes IGN] lasergrammétrie [Termes IGN] mesurage de phase [Termes IGN] positionnement cinématique en temps réel [Termes IGN] précision absolue [Termes IGN] précision décimétrique [Termes IGN] précision du positionnement [Termes IGN] semis de points [Termes IGN] télémétrie laser aéroporté [Termes IGN] temps réel Résumé : (Auteur) This paper presents a methodology for the precise registering of airborne laser data directly in flight with an accuracy that is sufficient for the majority of derived products, such as digital terrain models. We first present the strategy that integrates GPS/INS/LiDAR data for generating laser point clouds directly in flight and analyzes their accuracy. The latter requires the implementation of a functional covariance propagation on-line for all the system components (i.e. trajectory, laser, system calibration) to which influences of scanning geometry are added at the end of a flight line. The study of scanning geometry necessitates the classification of vegetation and coarse estimation of the terrain normal. This is achieved by a method that we formerly proposed for off-line quality analysis. The second part of the paper focuses on the positioning component. In high resolution scanning performed close to the terrain, the absolute accuracy of the resulting point cloud depends mainly on the quality of the trajectory which is related to the type of GPS solution (e.g. absolute positioning, DGPS, RTK). To reach sub-decimeter accuracy for the point cloud in the real-time, an RTK-GPS solution is needed. This requires the establishment of a communication link for the transmission of GPS corrections (or measurements). We analyze the usability of RTK-GPS/ALS acquired during several flights using different communication methods in the particular context of helicopter based missions. We focus mainly on the exploitation of nation-wide reference GNSS networks and confirm experimentally that the real-time registration of airborne laser data is feasible with sub-decimeter accuracy. Such quality is sufficient not only for a wide range of applications, but it also opens new opportunities for monitoring missions that require a short reaction time. Finally, we concentrate on situations when the phase and code corrections cannot be transmitted, and the quality of the differential carrier-phase positioning needs to be predicted. We validate the previously introduced indicators of positioning quality by simulated degradation of the input data. Copyright ISPRS Numéro de notice : A2010-093 Affiliation des auteurs : non IGN Thématique : IMAGERIE Nature : Article nature-HAL : ArtAvecCL-RevueIntern DOI : 10.1016/j.isprsjprs.2009.12.003 En ligne : https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2009.12.003 Format de la ressource électronique : URL article Permalink : https://documentation.ensg.eu/index.php?lvl=notice_display&id=30289 [article]

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Contrôle de l'intégrité GPS en temps réel et géoréférencement direct par RTK-GPS pour le levé laser aéroporté / Yannick Stebler in Géomatique suisse, vol 107 n° 3 (01/03/2009)  

Public [article]  inGéomatique suisse > vol 107 n° 3 (01/03/2009) . - pp 100 - 103 Titre : Contrôle de l'intégrité GPS en temps réel et géoréférencement direct par RTK-GPS pour le levé laser aéroporté Type de document : Article/Communication Auteurs : Yannick Stebler, Auteur Année de publication : 2009 Article en page(s) : pp 100 - 103 Note générale : Bibliographie Langues : Français (fre) Descripteur : [Vedettes matières IGN] Lasergrammétrie [Termes IGN] contrôle qualité [Termes IGN] géoréférencement direct [Termes IGN] GPS en mode cinématique [Termes IGN] lasergrammétrie [Termes IGN] positionnement cinématique en temps réel [Termes IGN] qualité des données [Termes IGN] semis de points [Termes IGN] télémètre laser aéroporté [Termes IGN] télémétrie laser aéroporté [Termes IGN] temps réel Résumé : (Auteur) Le manque d'informations sur la fiabilité des données acquises durant le vol constitue l'un des problèmes majeurs des systèmes laser aéroportés (ALS) actuels. Des erreurs ou des dégradations inacceptables de la qualité des données GPS/INS/Lidar ne sont ainsi détectées que plus tard, lorsque plus aucune réaction n'est possible. En particulier, la qualité de la solution GPS utilisée pour l'intégration avec les données inertielles, puis pour le géoréférencement du nuage de points est essentielle en vue de l'élaboration d'un produit final de haute qualité. Dans le contexte du levé ALS où la solution GPS finale est calculée en post-traitant la phase-porteuse différentielle, les éventuelles dégradations affectant le code et/ou la phase du signal GPS n'apparaissent que lors de l'étape du post-traitement de la phase (PT). Les solutions restantes consistent alors, soit à accepter une forte dégradation de la qualité du produit final, soit à répéter le vol. Il est évident que ces deux solutions sont inacceptables d'un point de vue économique et que des solutions de détection de problèmes en amont du PT doivent être trouvées. Cet article traite de la problématique du suivi et du contrôle en temps réel (TR) de la qualité des observations GPS uniquement. En outre, il présente les premiers résultats obtenus pour le géoréférencement direct de données ALS par RTK-GPS/INS. Le contrôle de fiabilité des observations acquises par les capteurs inertiels et Lidar font l'objet d'autres recherches au sein du laboratoire de Topométrie de l'EPFL (Schaer et al., 2008). Copyright Geosuisse Numéro de notice : A2009-182 Affiliation des auteurs : non IGN Thématique : IMAGERIE Nature : Article DOI : 10.5169/seals-236592 En ligne : https://doi.org/10.5169/seals-236592 Format de la ressource électronique : URL Permalink : https://documentation.ensg.eu/index.php?lvl=notice_display&id=29812 [article]

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136-09021	RAB	Revue	Centre de documentation	En réserve L003	Disponible