Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
20180514 upc airborne_gravimetry
1. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
AIRBORNE
GRAVIMETRY
M. Assumpció Termens
2. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
agenda
• background
• problem statement
• NA approach
• INS/GNSS gravimetry: geodesy as usual
• future
2
3. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
background
3
4. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry – what is it?
4
• geophysical method to measure the
gravity field of the Earth.
5. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry – what is it?
5
• geophysical method to measure the
gravity field of the Earth.
• helps the understanding of mass transport
phenomena within our planet, in the
oceans and atmosphere
6. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
6
geodetic motivation
• sea-level rise
• river flooding
• coastal flooding from hurricane
• ...
7. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry - applications
• precise terrestrial reference frame
• local geoid determination
7
8. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry - applications
• precise terrestrial reference frame
• local geoid determination
8
• volcano monitoring
• glaciers melting monitoring
• plate boundaries
• deformation measurements
• eartquake tectonic studies
9. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry - applications
• precise terrestrial reference frame
• local geoid determination
9
• volcano monitoring
• glaciers melting monitoring
• plate boundaries
• deformation measurements
• eartquake tectonic studies
• Natural resources (i.e. Mineral exploration)
10. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry – measurement methods
10
GLOBAL
REGIONAL
LOCAL
CHAMP (> 600 km)
GRACE (> 270 km)
GOCE (> 70 km) terrestrial
10 km100 km1000 km 1 km
11. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry – measurement methods
11
Kinematic gravimetry
(> 1 km)
GLOBAL
REGIONAL
LOCAL
CHAMP (> 600 km)
GRACE (> 270 km)
GOCE (> 70 km) terrestrial
10 km100 km1000 km 1 km
12. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
12
Airborne gravity is the only
technique that can
adequately connect existing
terrestrial data to existing
ship and altimetry data in
the oceans and fill coverage
gaps.
Airborne data will not
replace existing data, but
will be used as a baseline
for correcting that data to be
consistent across the
country.
13. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
13
airborne gravimetry
14. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
14
airborne gravimetry
15. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
problem
statement
15
16. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
kinematic gravimetry (KG) - concept
1950’s: placing gravimeters
onboard vehicles
16
rapid and high-resolution
surveys in oceans, polar
regions, high mountains,
tropical forests...
17. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
17
The first LaCoste-Romberg
Model “S” Air-Sea Gravimeter.
1958 - Air force Geophysics Lab
18. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
18
LaCoste-Romberg Model “S”
19. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
19
LaCoste-Romberg TAGS-6
20. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
20
BGM-3 Gravimeter - Bell Aerospace
21. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
21
Sea Gravimeter KSS31. Bodenseewerk Geosystem GmbH
22. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
22
Chekan-A Gravimeter
23. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
23
1965 - Carson Services, Inc.
24. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
kinematic gravimetry (KG) - concept
1950’s: placing gravimeters
onboard vehicles
1960’s: INS was introduced
as as surveying instrument
24
positioning limited by the
unknown anomalous
gravity field
25. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
kinematic gravimetry (KG) - concept
1950’s: placing gravimeters
onboard vehicles
1960’s: INS was introduced
as as surveying instrument
25
positioning limited by the
unknown anomalous
gravity field
gravity field will be recovered from INS
measurements if accurate kinematic
positions and velocities are known and
the system errors are kept small
26. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
26
INS used for airborne gravimetry
27. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
kinematic gravimetry (KG) - concept
1950’s: placing gravimeters
onboard vehicles
1960’s: INS was introduced
as as surveying instrument
1980’s: GPS represented the
opportunity to measure a
with adequate accuracy and
precision
27
28. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
28
Rampant Lion project
29. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
kinematic gravimetry (KG) - concept
1950’s: placing gravimeters
onboard vehicles
1960’s: INS was introduced
as as surveying instrument
1980’s: GPS represented the
opportunity to measure a
with adequate accuracy and
precision
29
gravity computation is easy,
in principle ...
30. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
... but, gravity computation is hard
30
• very dynamic environtment:
• noise-to-signal ratios > 1000
• largest contributions to noise:
• high frequency noise (vibration)
• noise amplification when computing accelerations
GNSS INS
meas. principle dist. from time delays inertial accel.
system operation reliance on space segment autonomous
output variables position, time position, orientation
long-wave. errors low high
short-wave. errors high low
data rate low (1Hz) high (≥ 25Hz)
instrument cost low high
INS/GNSS
limiting factors
31. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
airborne gravimetry - operational constraints
• navigation system used to position the aircraft
• aircraft speed: compromise between low vibrations (high
speed) and high spatial resolution (low speed)
• flight altitude: the signal to noise ratio improve with a lower
altitude
• use of an autopilot: to provide both smoother flight path and
the maintenance of a reference altitude
• weather condition: low turbulence is essential if high
frequency aircraft accelerations are to be avoided
• design of the aircraft
• design of the survey
31
32. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
32
airborne gravity survey
33. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
33
airborne gravity survey
34. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
KG - mathematical models
34
INS navigation equations
35. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
stochastic processes
INS/GNSS gravimetry – traditional approach
35
apriori stochastic info from manufacturer’s,
tricky calibrations and field testing modelling
36. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GNSS-g – traditional approach
36
process noises:
where
dynamical system
State Space Approach (SSA)
• prediction, Kalman filtering and
smoothing
• generates and optimal estimates, but not
the best
• cannot use all the observational info.
• disadvantage trying to deal with space
correlations (i.e. crossover points)
37. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GPS-g – SSA methodology
37
STATE SPACE APPROACH
prediction + KF + smoothing
STOCHASTIC TIME SERIES
• stochastic differential equations
• state vector
• observations
Sander Geophysics
US Naval Research Lab
Geomatics Canada
KMS
AGMASCO
ITC Moscow
Intermap
Univ. of Calgary (UofC
Univ. Porto
• scalar: L&R + platform + DGPS
• scalar/vector: INS/GNNS
38. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GPS-g – SSA methodology
38
STATE SPACE APPROACH
prediction + KF + smoothing
STOCHASTIC TIME SERIES
• stochastic differential equations
• state vector
• observations
• scalar: L&R + platform + DGPS
• scalar/vector: INS/GNNS
Kananaskis (UofC, 1995)
Skagerrak (AGMASCO, 1996)
Azores (AGMASCO, 1997)
Greenland (UofC-KMS, 1998)
Greenland, Baltic Sea, Great
Barrier Reef (KMS, 1999)
Alexandria (UofC, 2000)
Greenland (KMS, 2000)
Greenland, Crete, Corsica (KMS,
2001)
Geophysical surveys (Intermap,
Sander Geophysics)
43. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
43
Greenland Aerogeophysical project 1991-92
• US Naval Research Lab
• NOAA
• Danish National Survey (now DTU-Space)
• NIMA (now NGA)
44. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
44
ArcGP
1992-2003
45. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
45
Arctic gravity project
46. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
46
Malaysia 2002-3
47. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
47
Rampant Lion project - Afghanistan 2006,2008
48. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
NA approach
48
49. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GNSS-g – Network Approach
49
Network Approach (NA)
• observation equations
• least-squares adjustment (LSA)
• the key to overcome SSA limitations is to look
as stochastic differential equations (SDE)
• discretisation
leads to a geodetic network new
approach
Geodesy
as usual
50. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
NA – network approach
• general advantages:
• parameters related by observations regardless of time
• networks can be static and/or dynamic
• covariance information can be computed selectively
• variance component estimation can be performed
• INS/GNSS gravimetry advantages:
• rigorous Earth gravity modelling
• better exploiting of external observational information
• more information for further geoid determination
• drawback:
• cannot be applied to real-time navigation
50
51. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GPS-g – approaches
PAST PRESENT FUTURE
51
NETWORK APPROACH
least-squares network adjustment
CLASSICAL NETWORKS
• static model, param. and obs.
NEW NETWORK APPROACH
• dynamic observation model
• static observation model
• time dependent parameters
(stochastic processes)
• time independent parameters
(random variable)
• independent observations
STATE SPACE APPROACH
prediction + KF + smoothing
STOCHASTIC TIME SERIES
• stochastic differential equations
• state vector
• observations
STOCHASTIC
TIME SERIES
STATIC
NETWORKS
TIME DEPENDENT NETWORKS
52. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GNSS-g – NA approaches
CLASSICAL NET TIME DEPENDENT NET
52
Termens,A., Colomina,I. Network
approach versus state-space
approach for strapdown inertial
kinematic gravimetry. GGSM2004,
IAG Symposia Vol. 129, pp.
107-112
Termens,A. A Network Approach
for Strapdown Inertial Kinematic
Gravimetry. Ph.D.
Colomina,I., Blázquez,M. A unified
approach to static and dynamic
modelling in photogrammetry and
remote sensing. International
Archives of the Photogrammetry,
Remote Sensing and Spatial
Information Sciences 35(B1). pp.
178-183
GAL FP7-287193 project “Galileo
for Gravity”
GAL final review. Castelldefels,
2014-02-10.
2004
2012
2014
...
53. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GNSS-g – NA approaches
CLASSICAL NET TIME DEPENDENT NET
53
Termens,A., Colomina,I. Network
approach versus state-space
approach for strapdown inertial
kinematic gravimetry. GGSM2004,
IAG Symposia Vol. 129, pp.
107-112
Termens,A. A Network Approach
for Strapdown Inertial Kinematic
Gravimetry. Ph.D.
Colomina,I., Blázquez,M. A unified
approach to static and dynamic
modelling in photogrammetry and
remote sensing. International
Archives of the Photogrammetry,
Remote Sensing and Spatial
Information Sciences 35(B1). pp.
178-183
GAL FP7-287193 project “Galileo
for Gravity”
2004
2012
2014
...
GeoTeX
GENA
54. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GNSS
gravimetry:
geodesy as usual
54
55. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
ICC GeoTeX package (1988 - )
• adopts a simple adjustment oriented point of view
• main data types: observations, parameters and sensors.
• Functional model
• FORTRAN-90 dynamic memory 32-bit implementation
55
56. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
GeoTeX functional model implementation
56
discretization
deriva1:
midpoint or
leap-frog
stochastic process Hz(INS)
Hz(cal)
Hz(g)
interpolation
intp: nearest point
RW process
57. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
INS/GNSS-g GeoTeX models
57
gravity
GNSS
INS
equations
58. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
GeoTeX WIB – INS angular rate vector model
58
Euler angles differential equations:
equivalent equations in terms of quaternions:
GeoTeX/ACX functional model
59. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
GeoTeX gravity parameters
59
DG-P
G-P
GRAVITY-P
G-P
DG-P
65. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
gravimetry – measurement methods
65
Kinematic gravimetry
(> 1 km)
GLOBAL
REGIONAL
LOCAL
CHAMP (> 600 km)
GRACE (> 270 km)
GOCE (> 70 km) terrestrial
10 km100 km1000 km 1 km
66. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
66
alternative survey platforms ?
67. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
67
airborne gravimetry
68. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
68
alternative survey platforms ?
69. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
69
global gravity … long-wavelength help aerogravity
70. M. Assumpció Termens, 2018-05-14, Enginyeria en Geoinformació i Geomàtica
70
satellite gravity: GOCE