Ein Trägheitsnavigationssystem (INS) verwendet Trägheitssensoren, um Bewegungsänderungen zu messen und so die Geschwindigkeit, Ausrichtung 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 verfolgen seine sich ändernde Geschwindigkeit.
• Gyroskope erfassen Änderungen der Winkelgeschwindigkeit.
• Magnetometer beurteilen die Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds und bestimmen so die Ausrichtung relativ zum magnetischen Nordpol. Das System gleicht die Abweichung zwischen dem wahren Norden und dem magnetischen Norden aus. Allerdings können magnetische Störquellen in den meisten Fahrzeugen die Genauigkeit eines Magnetometers beeinträchtigen.

Jeder dieser Sensoren weist Einschränkungen auf, aber in Kombination funktionieren sie besser. Durch die Messung dieser drei Sensoren berechnet das Trägheitsnavigationssystem die zurückgelegte Strecke und den Kurs.

Ein Trägheitsnavigationssystem misst:

• Tonhöhe
• Rollen
• Überschrift

Ein INS enthält auch einen GNSS-Empfänger und fügt damit einen weiteren Sensor hinzu. Dies liefert eine absolute Position und nicht eine relative. Während ein INS allein die Position relativ zum Trägheitsbezugssystem bestimmen kann, liefert die Kombination mit GNSS eine genaue globale Position.

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

GNSS stützt sich bei der Positionierung auf Satelliteninformationen. Es wird häufig in zivilen, kommerziellen und Verteidigungsanwendungen eingesetzt, kann jedoch durch atmosphärische Bedingungen und Mehrwegestörungen gestört werden. Insbesondere in militärischen Szenarien können GNSS-Signale auch durch Tunnel behindert oder durch Jamming und Spoofing absichtlich gestört werden.

Wenn diese beiden Systeme zusammen verwendet werden, ermöglichen sie eine hochpräzise Positionierung, wobei das Trägheitsnavigationssystem die Genauigkeit in GNSS-verweigerten Umgebungen aufrechterhält und die GNSS-Navigationsdaten verbessert.

Ein INS umfasst eine Inertial Measurement Unit (IMU) und eine Recheneinheit. Ausgehend von einer bekannten Position und Ausrichtung (dem Trägheitsbezugssystem) verfolgt die IMU Geschwindigkeits- und Rotationsänderungen und sendet Rohdaten an die INS-Recheneinheit, die dann die neue Position und Ausrichtung genau bestimmt.

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

INS ist besonders in Umgebungen von Vorteil, in denen GNSS (Global Navigation Satellite System) nicht verfügbar ist. GNSS kann in Tunneln oder unter Wasser gestört sein. Es kann auch zu Mehrwegstörungen oder atmosphärischen Störungen kommen. Während dies bei der Telefonnavigation ein geringfügiges Problem darstellt, ist eine präzise Positionierung für Luftvermessungs- oder Verteidigungsanwendungen von entscheidender Bedeutung.

Die Kombination von INS und GNSS ist zuverlässiger, da INS Fehler abmildert, die bei GNSS allein auftreten könnten. INS kann effektiv ohne Basisstationskommunikation betrieben werden und eignet sich daher dort, wo GNSS ungenau oder nicht verfügbar ist.

Verschiedene Trägheitsnavigationssysteme bieten unterschiedliche Genauigkeitsgrade.

High-End-INS mit faseroptischen Gyroskopen (FOG) sind auf Zentimeter genau und eignen sich für die Erforschung der Luft- und Raumfahrt, AUVs und Verteidigungsanwendungen. Im Gegensatz zu GNSS ist INS immun gegen Störungen oder Spoofing, da es nicht auf externe Referenzen wie Satelliten oder Basisstationen angewiesen ist. GuideNav bietet auch kostengünstige MEMS-basierte INS für Anwendungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen. 

Durch die Kalibrierung eines INS wird sichergestellt, dass die Sensorausgangsergebnisse innerhalb der angegebenen Betriebsbedingungen genau und konsistent sind. Bei der Kalibrierung werden die INS-Ausgaben mit Referenzinformationen verglichen und die Koeffizienzfaktoren so angepasst, dass sie mit beiden übereinstimmen.

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

• Temperatur – Beeinflusst die INS-Ausgabe über einen Temperaturbereich hinweg.
• Systematische Fehlerquellen von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen, einschließlich:
  • Sensorvoreingenommenheit
  • Skalierungsfaktor für den Sensorausgang
  • Querachsenempfindlichkeit des Sensors
  • Fehlausrichtung der Sensorachse
  • MEMS-Gyroskop G-Empfindlichkeit
• Magnetfeld – INS-Geräte mit Magnetometern zur Kursbestimmung können durch Magnetfeldänderungen beeinträchtigt werden (z. B. eisenhaltige Objekte oder Magnete, die statische Störungen verursachen). Dieser Fehler wird normalerweise kalibriert, sobald das INS an seiner endgültigen Position in einem Fahrzeug installiert ist, um statische magnetische Interferenzquellen zu berücksichtigen. Alle GuideNav-Produkte verfügen über eine integrierte magnetische Kalibrierungssoftware, um dieses Problem zu beheben.

Die INS-Kalibrierung umfasst Geräte wie Temperaturkammern, Nivelliertische, Geschwindigkeitstische und Kardanringe. Alle GuideNav-Produkte werden vor dem Versand kalibriert, getestet und entsprechen den relevanten Industriestandards.

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

Während INS auch Beschleunigungsmesser und Magnetometer verwendet, bestimmen die Gyroskopkosten im Verhältnis zur Leistung in erster Linie die Leistungsstufe. Die Leistung von MEMS-basierten INS reicht vom Verbraucher- bis zum taktischen Niveau, aber Fortschritte in den MEMS- und Datenfusionstechnologien haben die MEMS-basierte INS-Leistung in Richtung taktischer High-End-Qualität gebracht.

Leistungsstufe: Verbraucher

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

Leistungsstufe: Industriell/Taktisch

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

Leistungsstufe: High-End Tactical

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

Leistungsstufe: Navigation

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

Leistungsnote: Strategisch

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