Erfahrungen mit einem hochwertigen Inertialmeßsystem - MplusM

Erfahrungen mit einem hochwertigen Inertialmeßsystem
im ingenieurgeodätischen Einsatz
1 Einführung
Thomas WUNDERLICH und Theresa NEUHIERL
Anlässlich der Int. Geod. Woche Obergurgl 1981 hat Karl Rinner einen legendären Vortrag
„Über geodätische Kreisel und Verfahren der Inertialnavigation“ gehalten (RINNER 1981),
in welchem er zukunftsweisend die Anwendung dieser, damals mechanischen Sensoren, für
die Trägheitsnavigation auseinandersetzte. Für unser Berufsfeld beschrieb er Szenarien der
motorisierten Festpunktsbestimmung zur Landesvermessung geodätisch ungenügend erschlossener
Gebiete, welche sich rasch bewahrheiteten. Die Entwicklungen der nächsten
Jahrzehnte bis jetzt waren von der Perfektionierung der sogenannten Strapdown-Systeme
auf Basis von Ringlaserkreiseln geprägt; ihre Brauchbarmachung für den geodätischen Einsatz
ist untrennbar mit dem Pionier K.P. Schwarz in Kanada verbunden. Er zeigte auch
erste Entwicklungen für die Nutzung in ingenieurgeodätischen Aufgabenstellungen. In der
vorliegenden Arbeit sollen neue Versuche mit einem hochwertigen Inertialmeßsystem zur
Bewältigung ingenieurgeodätischer Herausforderungen vorgestellt werden. Es handelt sich
um Experimente auf einer langsam rotierenden Plattform und in tiefen Schächten, welche
im Zuge der aktuellen Messarbeiten zu einer Dissertation an der TUM ausgeführt wurden.
2 Anwendungen ohne Stützung durch externe Sensoren
In bestimmten Aufgabenbereichen des Vermessungswesens ist der Einsatz einer IMU
(Inertial Measurement Unit) heute bereits Routine, so z.B. im Airborne Laser Scanning und
bei Road/Railroad Inventory Vehicles. Dabei wird vor allem die Möglichkeit genutzt, die
Raumlage (Attitude) des Objektes, mit dem die IMU fest verbunden ist (strap down) zu bestimmen
und erst in zweiter Linie die momentane Position. Wegen des ungünstigen Driftverhaltens
der beiden kartesischen Sensortripel zur Messung der Beschleunigungen und der
Drehraten und der, das Rauschen verstärkenden, Integrationsprozesse nimmt die Qualität
der Koordinaten schnell ab, wenn keine Stützung durch andere Systeme erfolgt. Dies kann
im Flug durch kontinuierliche Aufdatierung mittels GPS-Positionen geschehen; der Trend
geht dabei zu einer GPS/INS-Integration durch gemeinsame Verarbeitung mit hochstehenden
Kalman-Filtern. Bei straßen- oder schienengebundenen Messfahrten kann die Trägheitsnavigation
die wichtige Aufgabe der Positionsbestimmung über kürzere, abgeschattete
Abschnitte übernehmen, auf welchen die Satellitennavigation ausfällt. Aufgrund der hohen
Messfrequenz hochwertiger IMUs erfährt auch die Aufgabe der Interpolation zwischen
GPS-Positionen eine befriedigende Lösung. Hingegen finden sich nur spärliche Versuche,
IMUs auf sich allein gestellt (stand alone) für präzise Vermessungsaufgaben einzusetzen.
Bekannt geworden sind die Szenarien der Festpunkteinschaltung in Kanada und verschiedene
Ansätze der Pipelinevermessung. Wesentlich dabei ist die regelmäßige Vornahme eines
ZUPT (Zero Velocity Update). Bei einem absichtlichen Anhalten der Bewegung kennt man

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Th. Wunderlich und Th. Neuhierl
nämlich die Sollwerte der Geschwindigkeitskomponenten (Null) und kann so akkumulierte
Drifteinflüsse rücksetzen. Analog bietet sich ein weiterer Abgleich in Form eines CUPT
(Co-ordinate Update) an, wenn die Koordinaten eines Haltepunktes bekannt sind.
Wo nicht unbedingt die Position, sondern eher differentialgeometrische Parameter einer
Trajektorie, wie Krümmung und Torsion, im Vordergrund stehen, können Modelle zu deren
direkten Gewinnung gefunden werden (SCHWARZ et al. 1990, HEGER 1992). Eine weitere
Neuerung bringt der Ansatz, in wohldefinierten Aufgabenstellungen (z.B. Biegelinienbestimmung
eines Brückenbauwerks) geometrische und differentialgeometrische Informationen
zur Formulierung von Bedingungsgleichungen zu nutzen, um so trotz fehlender Stützung
durch externe Sensoren die Genauigkeit merklich zu erhöhen (FOPPE 2001). Ein anderer
Weg wird aktuell am Lehrstuhl für Geodäsie der TU München eingeschlagen: die Eliminierung
bestimmter systematischer Einflüsse durch klassische Messung in zwei Lagen bzw.
im Hin- und Rückweg entlang einer Führung (NEUHIERL u. FOPPE 2004).
3 Die IMU der TU München
Seit November 2001 verfügt der Lehrstuhl für Geodäsie (GEO) gemeinsam mit dem Lehrstuhl
für Astronomische und Physikalische Geodäsie (IAPG) der TUM über eine hochauflösende
inertiale Messeinheit vom Typ iNAV-RQH der Firma iMAR. Die enthaltene Sensorik
besteht aus drei Ringlaserkreiseln (Modell Honeywell GG1320) mit 1,13 Bogensekunden
Auflösung und drei Servo-Beschleunigungsmessern (Modell Allied Signal
QA2000-40) mit einer Angabe auf 0,2 µg. Alle Rohdaten können ausgegeben oder gespeichert
werden und zwar mit einer Frequenz von derzeit 500 Hz (Festplatte) und bald 1500
Hz (Flash Disk). Alle charakteristischen Leistungsdaten und der wichtige Prozeß des
Alignments wurden am IAPG sorgsam experimentell überprüft (DOROBANTU u.
GERLACH 2004) und bestätigt.
Abb.1: Prinzipdarstellung einer IMU (FOPPE 2001)

Erfahrung mit einem hochwertigen Inertialmeßsystem im ingenieurgeodätischen Einsatz 3
Durch das Alignment, die Selbstausrichtung, wird bei Strapdown-IMUs der initiale Zusammenhang
zwischen den Sensormesswerten im Gehäusesystem (Body) und im lokalen, nordorientierten
Horizontsystem (NED) hergestellt, was etwa 10 Minuten dauert. Dabei wird
die notwendige Rotationsmatrix aus Messungen in ausgezeichneter, nämlich horizontierter
Lage der Einheit und bekannten Sollgrößen (Normalschwere, Winkelgeschwindigkeit der
Erde) im NED-System berechnet. Diese kann noch mit Hilfe der Orthogonalitätsbedingungen
verbessert werden. Trotzdem sind manche der bestimmten Parameter, so z.B. das Azimut
der Meßeinheit wegen des ungünstigen Signal/Rauschverhältnisses der Basismessgrößen
nicht optimal bestimmt (KNICKMEYER et al. 1988). Dies soll zukünftig durch
Vorschalten eines adaptiven FIR-Filters (Finite Impulse Response) vermieden werden
können (NOURELDIN et al. 2004).
4 Experimente zu neuen ingenieurgeodätischen Anwendungen
Aufgrund mehrerer fachlicher Kooperationen mit der Olympiapark München GmbH
(WUNDERLICH et al. 2004) war es uns möglich, ausgedehnte Versuchsreihen mit der
IMU in der Unterkonstruktion des Drehrestaurants und in einem Betriebsaufzug des Turms
(Abb.2) auszuführen.
Abb.2: Olympiaturm Abb.3: IMU an der Drehkonstruktion

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Th. Wunderlich und Th. Neuhierl
• Rundlaufuntersuchung drehender Konstruktionen
Parallel zu geodätischen und messtechnischen Beobachtungen zur Untersuchung der Rundlaufqualität
des Drehrestaurants (45 min. Umdrehungszeit) wurde die IMU am drehenden
Teil der Unterkonstruktion auf einer Spezialplatte fest montiert und mitverfahren (Abb.3).
Das unmittelbare Ziel des Versuches war es, Erfahrung mit dem Verhalten der inertialen
Einheit bei langsamer, geführter Bewegung zu bekommen. Nach dem groben und feinen
Alignmentvorgang wurde die Konstruktion in Zeitschritten von 1 Minute weitergedreht und
jeweils dazwischen zu einem ZUPT angehalten. Das Erreichen einer vollen Umdrehung
wurde durch Beobachtung einer Marke mit einem im feststehenden Turmteil platzierten
Theodolit zur späteren Formulierung einer geometrischen Bedingung erfasst. Anschließend
begann ein zweiter Drehzyklus mit um 180 Altgrad gewendeter IMU (2. Lage). Zur späteren
Elimination allfälliger Störeinflüsse aufgrund windinduzierter Turmauslenkungen
zeichnete ein zweiachsiger elektronischer Neigungsmesser vom Typ LEICA NIVEL 20 die
Änderungen der Turmneigung mit hoher Datenrate und Genauigkeit auf. Temperaturbedingte
Verbiegungen waren wegen der Beobachtungszeit spätnachts bis frühmorgens nicht
zu erwarten.
Prinzipiell ist die eingesetzte IMU durch künstliche Dither-Bewegungen der Laserkreisel
(HONEYWELL 1973) geeignet, langsame Bewegungen mit kleinen Richtungsänderungen
genau zu erfassen; allerdings lässt – was hier beabsichtigt ist – die lange Umdrehungszeit
plus der Zeiten für die ZUPTs die Wirkung der Sensordriften, insbesondere des für die Bestimmung
der Drehbewegung um die Turmachse verantwortlichen Ringlaserkreisels (Bias
Repeatability 0,002º/hr) voll zur Geltung kommen. Die Abbildung 4 zeigt in überlagerter
Darstellung die beiden Fahrten verschiedener IMU-Lage.
Abb.4: Plot der beiden Fahrten (s. auch Farbtafel ##, S. ###).

Erfahrung mit einem hochwertigen Inertialmeßsystem im ingenieurgeodätischen Einsatz 5
Die Verbesserung der Abweichungen mit Hilfe der ZUPTs und der Differenz der Anfangs-
und Endkoordinaten erbringt als erstes Maß die Differenz der Radien aus den ausgleichenden
Kreisen der beiden Fahrten mit 13 Zentimetern. Dies lässt sich durch Verbesserungen
in der Anfangsausrichtung und genaue Analyse der wirksamen Einflüsse von Sensorkoppelungen
möglicherweise noch verbessern; eine direkte Bestimmung der Rundlaufqualität
mit Millimetergenauigkeit, wie sie geodätisch und messtechnisch erreicht wurde, ist jedoch
so nicht abzusehen. Das ist schade, denn die „konventionellen Arbeiten“ in enger, dunkler
und gefährlicher Umgebung würde man jederzeit gerne auf die hier versuchte Art durch
moderne Inertialtechnik ablösen. Sehr wohl kann man aber die Anordnung des Experiments
dazu benutzen, das Driftverhalten der Kreisel zu studieren.
• Richtungsübertragung durch tiefe Schächte
Wesentlich aussichtsreicher für die Anwendung in der Praxis erweist sich ein zweites Experiment
im Turm, welches die schnelle, geführte Bewegung der IMU in einer ausgezeichneten
Richtung – jener des Lotes – nutzen möchte, um die hochgenaue Übertragung einer
Richtung durch tiefe, enge Schächte zu bewerkstelligen. Dazu wurde die IMU im Betriebsaufzug
des Olympiaturmes München zwischen den Koten 0 und 184 m mehrfach auf-
und abgefahren und an den Endhalten eine Richtungsabnahme versucht. Um dem Fehlerhaushalt
der IMU durch diesen Vorgang keine weiteren Anteile aufzubürden, wählten wir
die Methode der Autokollimation. Auf die speziell angefertigte Montageplatte der IMU
wurden ein Planspiegel und ein Autokollimationsprisma vom Typ LEICA GAP1 montiert
(Abb.6). Zur Richtungsübertragung wurden dann die Winkel zwischen den beiden Zielen
(in Autokollimation) und zwei Anschlusszielen (konventionell) beobachtet. In Kombination
der Auswertung der inertialen Azimutänderungen mit den gemessenen Winkeln lässt sich
eine Richtungsübertragung realisieren. Entscheidend ist dabei die möglichst schnelle, ununterbrochene
Fahrt des Aufzugs zwischen den Endpunkten. Abbildung 5 zeigt das
Geschwindigkeitsprofil mehrerer solcher Fahrten im Betriebsaufzug.
Abb.5: Geschwindigkeitsprofil der Aufzugsfahrten (aus IMU-Messungen)

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Th. Wunderlich und Th. Neuhierl
Mit zunehmender Routine und unter Verarbeitung der Auf- und Abfahrten konnten wir
schließlich Richtungsübertragungen mit einer Standardabweichung von ± 3" durchführen.
Abb.6: IMU mit Autokollimationsspiegel und –prisma (s. auch Farbtafel ##, S. ###).
Tab.1: Richtungsänderungen [gon]
Fahrt Auffahrt Abfahrt
Abfahrt korrigiert
durch Autokoll.
Mittel
Auf- und korr. Abfahrt
1 0,0369 -0,0431 -0,0423 0,0396
2 0,0365 -0,0413 -0,0406 0,0385
3 0,0391 -0,0431 -0,0420 0,0405
4 0,0400 -0,0409 -0,0399 0,0399
5 0,0380 -0,0422 -0,0414 0,0397
6 0,0378 -0,0400 -0,0412 0,0395
Mittelwert 0,0380 -0,0418 -0,0412 0,0396
σ (Einzelwert) 0,0013 0,0013 0,0009 0,0007
σ (Mittelwert) 0,0005 0,0005 0,0004 0,0003
5 Ausblick
Alpenquerende, lange Tunnels müssen zur Erzielung einer akzeptablen Bauzeit unbedingt
mit Zwischenangriffen vorgetrieben werden. Diese können häufig nur über tiefe Schächte
(mehrere hundert Meter) aufgeschlossen werden. Die derzeit einzige Möglichkeit der untertägigen
Festlegung der Anschlagsrichtungen besteht in Präzisionslotungen und anschließenden
Präzisionsazimutmessungen mit Kreisel-Theodolitkombinationen. Der vom Lehrstuhl
für Geodäsie der TU München vorbereitete Ansatz einer Richtungsübertragung mit

Erfahrung mit einem hochwertigen Inertialmeßsystem im ingenieurgeodätischen Einsatz 7
einer hochauflösenden inertialen Strapdown-Messeinheit erschließt die exklusive Alternative
einer unabhängigen Kontrolle. Diese ist für den Bau ebenso wichtig wie willkommen.
Der nächste große europäische Tunnel wartet auf den Anschlag: am Brenner
(GRAFINGER und WESSIAK 1996)!
6 Dank
Die Grundlage aller Auswertungen bildete das professionelle Softwarepaket KINGSPAD
des Department of Geomatics Engineering der University of Calgary, welches uns dankenswerterweise
zur Nutzung für wissenschaftliche Aufgaben zur Verfügung gestellt wurde
(SCHWARZ und EL-SHEIMY 2000). Gleichfalls danken wir der Olympiapark GmbH für
die einzigartigen Testmöglichkeiten, die sie uns im Olympiaturm München gewährt hat,
und Herrn emer. Univ.Prof. Dr.-Ing. Klaus Schnädelbach für seine wissenschaftliche und
praktische Unterstützung der Experimente.
7 Literatur
Dorobantu, R. und C. Gerlach (2004): Investigation of a Navigation-Grade RLG SIMU type
iNAV-RQH. Schriftenreihe IAPG / FESG, No. 16, TU München.
Foppe, K. (2001): Kombination von inertialen und satellitengestützten Beobachtungsverfahren
zur ingenieurgeodätischen Überwachung von Brückenbauwerken. Wiss. Arb.
d. Fachr. Vermessungsw. d. Univ. Hannover, Nr. 242.
Grafinger, H. und H. Wessiak (1996): Der Brenner Basistunnel – eine Übersicht über das
Projekt und die besonderen Vermessungsaufgaben. Ingenieurvermessung 96 (Beiträge
z. XII. Int. Kurs f. Ingenieurverm., 9.-14.9. 1996, Graz), Bd. 2, Dümmler Verlag Bonn.
Heger, W. (1992): Untersuchungen zum Einsatz inertialer Vermessungssysteme in
‘strapdown’-Technik bei der Schachtvermessung. Wiss. Arb. d. Fachr. Vermessungswesen
d. Univ. Hannover, Nr. 179.
Honeywell (1973): The Honeywell Laser Gyro. Government and Aeronautical Products
Division, Minneapolis, Minnesota.
Knickmeyer, E.H., K.P. Schwarz, P.J.G. Teunissen (1988): Strapdown – ein Trägheitsnavigationskonzept
für Ingenieuranwendungen. Ingenieurvermessung 88 (Beiträge zum
X. Int. Kurs f. Ingenieurverm., 12.-17.9. 1988, München), Band 1, Dümmler Verlag
Bonn.
Neuhierl, Th. und K. Foppe (2004): Anwendungen inertialer Meßsysteme in der Ingenieurgeodäsie.
Schriftenreihe DVW, Bd. 24 „Kinematische Meßmethoden – Vermessung in
Bewegung“ (Tagungsband zum DVW-Seminar 17./18.2.04, Stuttgart), Wißner Verlag,
Augsburg.
Noureldin, A., E. Shin, N. El-Sheimy (2004): Improving the Performance of Alignment
Processes of Inertial Measurement Units Utilizing Adaptive Pre-Filtering Methodology.
Zeitschrift für Vermessungswesen, 129. Jg., Heft 6, Wißner Verlag, Augsburg.
Rinner, K. (1981): Über geodätische Kreisel und Verfahren der Inertialnavigation.
Institutsmitteilungen d. Inst. f. Geodäsie d. Univ. Innsbruck Nr.4 (Tagungsband zur 3.
Int. Geod. Woche, Obergurgl), Innsbruck.

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Th. Wunderlich und Th. Neuhierl
Schwarz, K.P., E.H. Knickmeyer, H. Martell (1990): The Use of Strapdown Technology in
Surveying. Allgemeine Vermessung-Nachrichten, 97. Jg., Heft 8-9, Verlag Wichmann,
Schwarz, K.P. und N. El-Sheimy (2000): Letter of Agreement to License KINGSPAD
Software (Univ. Technol. Int.). Dept. of Geomatics Engineering, Univ. of Calgary.
Wunderlich, Th., W. Stempfhuber, P. Wasmeier (2004): Bestimmung der Geometrie der
Führungsschiene des Drehrestaurants am Münchner Olympiaturm und kinematische
Prüfung der Rundlaufqualität. Ingenieurvermessung 2004, ETH-Zürich.