Akıllı telefon ataletsel sensörleri ve jeodezik GNSS alıcısı entegrasyonu ile harmonik ve sismik yer değiştirmelerin kestirimi
Harmonic and seismic displacement estimation with smartphone inertial sensors and geodetic GNSS receiver integration
Yazar: CANEREN GÜL
Danışman: DOÇ. DR. TAYLAN ÖCALAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Cep telefonu = Cellular phone ; Kalman filtre = Kalman filter ; Konumlandırma = Positioning ; Ölçüm teknikleri = Measurement techniques

Özet:
Sismojeodezik uygulamalar kapsamında Küresel Seyrüsefer Uydu Sistemleri (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) ile elde edilen yer değiştirmelerin hatası konum doğruluğuna etkiyen hata kaynakları sebebiyle sismik ivmeölçerlerden yüksek olmaktadır. Buna karşın sismik ivmeölçerler ile yer değiştirmelerin elde edilmesi için çift nümerik entegrasyona ihtiyaç duyulmakta, GNSS'de ise kinematik veri değerlendirme ile yer değiştirmeler direkt elde edilebilmektedir. Günümüzde yer değiştirmelerin kestirimi çalışmalarında GNSS ve sismik ivmeölçerlerin entegrasyonunun geniş frekans spektrumuna sahip kuvvetli yer değiştirmelerin kestiriminde en güncel yöntemlerden biri olduğu bilinmektedir.
Tez çalışması kapsamında GNSS ve ivmeölçer entegrasyonu  ile yer değiştirmelerin izlenmesinde üç problem ele alınmıştır. Bu problemlerden ilki GNSS ve ivmeölçer entegrasyonunun daha düşük maliyetle gerekleştirilmesidir. İkinci problem ise yer değiştirmelere dair ivmeölçer verileri sensör çerçevesinde elde edilmektedir ve bu verilerin jeodezide yaygın olarak kullanılan eksenleri doğu, kuzey ve yukarı olan toposentrik koordinat çerçevesinde ifade edilmesi gerekmektedir. Üçüncü problem ise ivmeölçer ile entegrasyonda GNSS konum zaman serilerinde mevcut gürültü süreçlerinin giderilmesidir. Bu bağlamda 10 Hz örnekleme frekansına sahip jeodezik GNSS alıcılarından ve 1 Hz örnekleme frekansına sahip akıllı telefon GNSS çipinden Hassas Nokta Konumlama (Precise Point Positioning, PPP) ile elde edilen GNSS gözlemlerinin yine akıllı telefonlar içerisinde bulunan düşük bütçeli ataletsel ölçü birimleri (Inertial Measurement Units, IMU) ile verimli entegrasyonu amaçlanmıştır. İvmeölçer yönelimi akıllı telefon IMU'da bulunan diğer bir sensör olan manyetometre ile Tekil Değer Ayrıştırması (Singular Value Decomposition, SVD) yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Ardından bir zayıf bağlı ve iki aşamalı entegrasyon şeması ile GNSS gözlemlerinin lokal çerçevede ifade edilen ivmeölçer ile entegrasyonu amaçlanmıştır. İlk aşamada yer değiştirmelerin gerçekleşmesinden önce GNSS çözümlerine yapılan Allan Varyansı ile yalnızca tespit edilen gürültü süreçlerinin modellendiği bir lineer Kalman Süzgeci kullanılmış ve yer değiştirmeler inovasyon sürecine yansıtılmıştır. İkinci aşamada ise ilk aşamadaki inovasyon süreci gözlemler olarak kullanılmış ve lineer Kalman Süzgeci vasıtasıyla ivmeölçer ile entegre edilmiştir. Entegrasyon performansı sarsma tablası ile gerçekleştirilen harmonik hareket deneyleri üzerinde analiz edilmiştir. Ardından sarsma tablasında 1994 Loma-Prieta depremi ve 1999 Düzce depremine ait yer değiştirmeler verilerek entegrasyon şemasının yer değiştirmeleri kestirmedeki performansı incelenmiştir. Deprem deneyleri, akıllı telefon GNSS ile yapılan entegrasyonları jeodezik alıcılar ile yapılanla adil bir şekilde kıyaslamak için jeodezik alıcıların 1 Hz örnekleme yaptığı durumda tekrarlanmıştır. Çalışma sonucunda jeodezik sınıf GNSS ve akıllı telefon IMU kullanılarak zayıf bağlı ve iki aşamalı entegrasyon ile yer değiştirmelerin etkin bir biçimde kestirilebileceği sonucuna varılmıştır. Buna karşın jeodezik alıcıların 1 Hz örnekleme frekansıyla yapılan deneylerde cm, yalnızca akıllı telefon ile yapılan deneylerde ise entegrasyon şeması ile kestirilen yer değiştirmelerin dm mertebesinde hatalara sahip olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Within the scope of seismogeodetic applications, the error of displacements obtained from Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is higher than seismic grade accelerometers due to various positioning error sources. On the other hand, determination of the displacements from accelerometers requires double numerical integration whereas the GNSS can provide direct displacements through the kinematic data processing. Today, it is well known that the integration of GNSS and seismic grade accelerometers are one of the most up-to-date method for estimating strong and broadband displacements.
In this study, three problems of GNSS and accelerometer integration in displacement estimation were discussed. First problem is the cost-effective integration of GNSS with accelerometer.  Second, integration of accelerometer with GNSS requires the conversion of accelerations into east, north, up/down local coordinate frame which is widely used in geodesy. Third, noise processes in GNSS position time series must be filtered out. In this context, efficient integration of with 10 Hz Precise Point Positioning (PPP) GNSS solutions from geodetic grade receivers and the integration of 1 Hz smartphone dual-frequency chipset GNSS solutions with low-cost inertial measurement units (IMU) is aimed. Attitude of the accelerometer were determined with the aid of magnetometer, another smartphone inertial sensor, by using Singular Value Decomposition (SVD) method. After the alignment, a two stage loosely coupled integration scheme was proposed to integrate GNSS solutions and local frame accelerations. In the first stage a linear Kalman Filter was used to model only noise processes in GNSS solutions, which are identified in pre-event GNSS solutions by using Allan Variance method. Thus displacements are reflected in the innovation sequence of the Kalman Filter. In the second stage, innovation sequence of first stage Kalman Filter used as observations and integrated with local frame accelerations with the linear Kalman Filter. Performance of the proposed integration method were evaluated with harmonic motion experiments simulated on a shake table. To evaluate the performance of the integration method, 1994 Loma-Prieta earthquake and 1999 Duzce earthquake were also simulated on the shake table. In order to provide a fair comparison between the integration of the smartphone 1 Hz dual-frequency GNSS and geodetic grade GNSS integration, earthquake experiments were repeated for 1 Hz sampling frequency of geodetic grade receivers. Results showed that displacements can be estimated effectively with loosely coupled and two-stage integration using geodetic grade GNSS and smartphone IMU. On the other hand, experiments with 1 Hz geodetic receivers resulted in cm level deviations, and only smartphone integrations resulted in dm level displacement estimation deviations.