Experte für Trägheitsnavigationslösungen

Ein Trägheitsnavigationssystem (INS) nutzt Trägheitssensoren, um Bewegungsänderungen zu messen, was dazu beiträgt, Geschwindigkeit, Orientierung und Position eines Objekts zu bestimmen.

Die IMU, eine Komponente des Trägheitsnavigationssystems, besteht aus Sensoren wie Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und manchmal Magnetometern.

Weitere Details:

• Beschleunigungsmesser messen die Beschleunigung eines Objekts und erfassen so dessen sich ändernde Geschwindigkeit.
• Gyroskope erfassen Änderungen der Winkelgeschwindigkeit.
• Magnetometer messen die Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds und bestimmen die Ausrichtung relativ zum magnetischen Nordpol. Das System gleicht die Abweichung zwischen geografisch Nord und magnetisch Nord aus. Allerdings können magnetische Störquellen die Genauigkeit eines Magnetometers in den meisten Fahrzeugen beeinträchtigen.

Jeder dieser Sensoren hat seine Grenzen, aber in Kombination funktionieren sie besser. Durch die Messung der Daten dieser drei Sensoren berechnet das Trägheitsnavigationssystem die zurückgelegte Strecke und den Kurs.

Ein Trägheitsnavigationssystem misst:

• Tonhöhe
• Rollen
• Überschrift

Ein INS verfügt zusätzlich über einen GNSS-Empfänger und stellt somit einen weiteren Sensor dar. Dadurch wird eine absolute anstelle einer relativen Position ermittelt. Zwar kann ein INS allein die Position relativ zum Inertialsystem bestimmen, die Kombination mit GNSS ermöglicht jedoch eine präzise globale Positionsbestimmung.

Ein Trägheitsnavigationssystem ist autark und benötigt keine Satellitensignale oder Basisstationen zur Positionsbestimmung.

GNSS nutzt Satelliteninformationen zur Positionsbestimmung. Es findet breite Anwendung in zivilen, kommerziellen und militärischen Bereichen, kann jedoch durch atmosphärische Bedingungen und Mehrwegeausbreitung beeinträchtigt werden. GNSS-Signale können zudem durch Tunnel blockiert oder, insbesondere in militärischen Szenarien, durch Störsender und Spoofing gezielt gestört werden.

In Kombination ermöglichen diese beiden Systeme eine hochpräzise Positionsbestimmung, wobei das Trägheitsnavigationssystem die Genauigkeit auch in Umgebungen ohne GNSS-Empfang aufrechterhält und so die GNSS-Navigationsdaten verbessert.

Ein INS besteht aus einer Inertialmesseinheit (IMU) und einer Recheneinheit. Ausgehend von einer bekannten Position und Orientierung (dem Inertialsystem) erfasst die IMU Änderungen der Geschwindigkeit und Rotation und sendet Rohdaten an die INS-Recheneinheit, die anschließend die neue Position und Orientierung präzise bestimmt.

Trägheitsnavigationssysteme liefern zuverlässig Positionsdaten. Sie reichen von leichten MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) über dynamische faseroptische Gyroskope (FOG) bis hin zu hochentwickelten digitalen faseroptischen Gyroskopen (DFOG).

INS ist besonders vorteilhaft in Umgebungen, in denen GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) nicht verfügbar ist. GNSS kann in Tunneln oder unter Wasser gestört werden. Auch Mehrwegeausbreitung oder atmosphärische Störungen können auftreten. Während dies bei der Navigation mit Mobiltelefonen ein untergeordnetes Problem darstellt, ist eine präzise Positionsbestimmung für Luftbildvermessungen oder Verteidigungsanwendungen unerlässlich.

Die Kombination von INS und GNSS ist zuverlässiger, da INS Fehler minimiert, die bei GNSS allein auftreten können. INS funktioniert auch ohne Basisstationskommunikation effektiv und eignet sich daher für Orte, an denen GNSS ungenau oder nicht verfügbar ist.

Verschiedene Trägheitsnavigationssysteme bieten unterschiedliche Genauigkeitsgrade.

Hochwertige INS-Systeme mit faseroptischen Gyroskopen (FOG) erreichen eine Genauigkeit im Zentimeterbereich und eignen sich für die Raumfahrt, autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) und Verteidigungsanwendungen. Im Gegensatz zu GNSS ist INS immun gegen Störungen und Manipulationen, da es nicht auf externe Referenzen wie Satelliten oder Basisstationen angewiesen ist. GuideNav bietet zudem kostengünstige, MEMS-basierte INS-Systeme für Anwendungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen an. 

Die Kalibrierung eines INS gewährleistet, dass die Sensorausgabewerte innerhalb der vorgegebenen Betriebsbedingungen genau und konsistent sind. Die Kalibrierung umfasst den Vergleich der INS-Ausgabewerte mit Referenzdaten und die Anpassung der Koeffizienten, um eine Übereinstimmung zwischen beiden zu erzielen.

Die INS-Ausgabe kann aufgrund verschiedener Faktoren variieren, wie zum Beispiel:

• Temperatur – Beeinflusst die INS-Ausgabe über einen weiten Temperaturbereich.
• Systematische Fehlerquellen von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen, einschließlich:
  • Sensorbias
  • Skalierungsfaktor des Sensorausgangs
  • Querachsenempfindlichkeit des Sensors
  • Fehlausrichtung der Sensorachse
  • G-Empfindlichkeit des MEMS-Gyroskops
• Magnetfeld – INS-Einheiten mit Magnetometern zur Kursbestimmung können durch Magnetfeldänderungen (z. B. durch ferromagnetische Objekte oder Magnete, die statische Störungen verursachen) beeinträchtigt werden. Dieser Fehler wird üblicherweise nach der endgültigen Installation des INS im Fahrzeug kalibriert, um statische magnetische Störquellen zu kompensieren. Alle GuideNav-Produkte verfügen über eine integrierte Magnetfeldkalibrierungssoftware, um dieses Problem zu beheben.

Die INS-Kalibrierung erfordert Geräte wie Temperaturkammern, Nivelliertische, Drehratentabellen und Kardanaufhängungen. Alle GuideNav-Produkte werden vor dem Versand kalibriert, geprüft und entsprechen den relevanten Industriestandards.

INS-Sensoren werden in fünf Leistungsklassen , die hauptsächlich auf der Gyroskopleistung basieren.

Obwohl INS auch Beschleunigungsmesser und Magnetometer nutzt, bestimmt das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Gyroskops primär die Leistungsklasse. Die Leistungsfähigkeit von MEMS-basierten INS reicht von Consumer- bis hin zu taktischen Systemen, wobei Fortschritte in der MEMS- und Datenfusionstechnologie die Leistung von MEMS-basierten INS in Richtung High-End-Taktikniveau gehoben haben.

Leistungsstufe: Verbraucher

• Gyro-Bias-Stabilität: über 20 °/h
• Kosten: $
• Anwendungsbeispiele: Bewegungserkennung
• Sensortechnologie: MEMS

Leistungsklasse: Industriell/Taktisch

• Gyro-Bias-Stabilität: 5 – 20 °/h
• Kosten: $$
• Anwendungsbeispiele: Robotik 
• Sensortechnologie: MEMS-basiert

Leistungsklasse: Taktische Spitzenklasse

• Gyro-Bias-Stabilität: 0,1 – 5 °/h
• Kosten: $$$
• Anwendungsbeispiele: autonome Systeme
• Sensortechnologie: MEMS / FOG (Faseroptisches Gyroskop) /RLG (Ringlasergyroskop)

Leistungsstufe: Navigation

• Gyro-Bias-Stabilität: 0,01 – 0,1 °/h
• Kosten: $$$$
• Anwendungsbeispiele: Flugzeugnavigation
• Sensortechnologie: FOG/RLG

Leistungsbewertung: Strategisch

• Gyro-Bias-Stabilität: 0,0001 – 0,01 °/h
• Kosten: $$$$$
• Sensortechnologie: FOG/RLG