Bevor eine Drohne oder unbemannte Plattform ihre Mission beginnt, muss sich ihr Trägheitsnavigationssystem an die Umgebung anpassen. Ohne korrekte Initialisierung kann selbst das beste faseroptische INS keine zuverlässigen Kurs-, Lage- oder Positionsangaben liefern. Der Vorgang dauert zwar nur wenige Minuten, doch die Navigationsinitialisierung ist die Grundlage für den Erfolg der Mission.
Ein faseroptisches INS initialisiert sich vor dem Start durch Stabilisierung der Temperatur, Ausrichtung von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern, Schätzung der Abweichung und Durchführung einer Grob-zu-Fein-Lageausrichtung – wodurch eine genaue Navigation von der ersten Sekunde des Fluges an gewährleistet wird.
Die Initialisierung wird oft unterschätzt, obwohl sie darüber entscheidet, ob die Navigationsdaten von Anfang an präzise sind oder von Beginn an ungenau. Bei UAVs und anderen autonomen Plattformen umfasst das Verfahren die thermische Konditionierung, die Kalibrierung der Bias-Werte und die Ausrichtung der Fluglage . Jeder Schritt stellt sicher, dass das INS einsatzbereit ist, bevor Triebwerke oder Rotoren überhaupt in Betrieb genommen werden.
Inhaltsverzeichnis
Warum hat die Temperaturstabilisierung Priorität?
Bevor eine Ausrichtung erfolgen kann, muss ein faseroptisches INS zunächst den thermischen Ausgleich . Dieser Schritt ist entscheidend, da Temperaturschwankungen die Sensorabweichung und den Skalierungsfaktor direkt beeinflussen. Wird dieser Schritt übersprungen, ist eine fehlerhafte Initialisierung nahezu ausgeschlossen.
- Gyroskope und Beschleunigungsmesser reagieren sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen → bereits kleine Abweichungen können die Messwerte verfälschen.
- Aufwärmphase erforderlich → das System benötigt Zeit, um sich zu stabilisieren, bevor zuverlässige Daten erzeugt werden können.
- Ohne Stabilisierung kann sich die Bias-Drift um das Zehnfache erhöhen → was zu einer Verschlechterung der Ausrichtungsqualität führt.
- Empfohlene Vorgehensweise: 10–20 Minuten vor Abflug einschalten → um sicherzustellen, dass das INS von einer stabilen Ausgangsbasis aus startet.
Wie werden systematische Fehler während der Initialisierung abgeschätzt?
Sobald das INS eingeschaltet und ruhiggestellt ist, misst es die Messwerte seiner Gyroskope und Beschleunigungsmesser über einen bestimmten Zeitraum. Diese Messwerte dienen zur Schätzung der statischen Abweichung , die den systembedingten Fehler des Sensors im Ruhezustand darstellt. Selbst geringfügige Abweichungen können sich, wenn sie nicht korrigiert werden, zu großen Navigationsfehlern summieren. Durch Mittelung und Modellierung der Signale in dieser Phase beginnt das INS die Feinjustierung mit sauberen und zuverlässigen Daten.
Was geschieht während der Grobauseinstellung?
Grobausrichtungsphase des faseroptischen INS . In dieser Phase strebt das System noch keine höchste Präzision an, sondern konzentriert sich zunächst auf die Ermittlung einer zuverlässigen ersten Orientierungsschätzung. Mithilfe natürlicher Referenzpunkte – Schwerkraft und Erdrotation – kann das INS eine Basislinie für Nick-, Roll- und Kurswinkel festlegen. Dieser Prozess ist grundlegend, da ohne eine solide Grobausrichtung die Feinausrichtung nicht korrekt konvergieren kann .
- Die Schwerkraft wird von Beschleunigungsmessern erfasst und liefert Informationen zu Nick- und Rollwinkel.
- Erdrotation, gemessen mit Gyroskopen → liefert die Richtung.
- Der Vorgang dauert einige Minuten → und liefert eine ungefähre Ausgangslage der Einstellung.
- Diese Ausgangsbasis wird dann später verfeinert → und bildet die Grundlage für die Feinjustierung.
Wie wird eine Feinjustierung erreicht?
Sobald die Grobausrichtung einen Ausgangspunkt liefert, geht das System in die Feinausrichtung , in der die Präzision schrittweise verbessert wird. In dieser Phase nutzt das faseroptische INS fortschrittliche Filterverfahren – häufig einen Kalman-Filter –, um die Sensorausgaben zu kombinieren und Restfehler zu reduzieren. Die Feinausrichtung optimiert kontinuierlich Kurs, Nick- und Rollwinkel und verringert so die nach der Grobausrichtung verbleibenden kleinen Abweichungen. Mit jedem Zyklus nähert sich das INS der Navigationsgenauigkeit an und gewährleistet so, dass die Ausrichtung der Drohne zu Beginn ihrer Mission stabil und zuverlässig ist.
Warum muss die INS stationär bleiben?
Während der Initialisierung muss das INS natürliche Referenzsignale – Schwerkraft und Erdrotation – von jeglichen tatsächlichen Plattformbewegungen trennen. Bewegt sich die Drohne während dieses Vorgangs, werden die Sensormesswerte verfälscht, was zu ungenauen Bias-Schätzungen und fehlerhafter Ausrichtung führt. Absolute Stille des Systems ist daher entscheidend für eine zuverlässige Initialisierung.
Wichtige Punkte, die Sie sich merken sollten:
- Bewegung erzeugt falsche Signale , die das System fälschlicherweise als Teil der Ausrichtung interpretieren kann.
- Stationäre Bedingungen ermöglichen eine präzise Schätzung der systematischen Abweichung und führen zu einem präziseren Modell für die Driftkorrektur.
- Jegliche Vibration oder Bewegung kann die Initialisierung verzögern oder beeinträchtigen und somit längere Konvergenzzeiten erzwingen.
Wie verbessern GNSS-Geräte die Initialisierung?
GNSS kann den Ausrichtungsprozess durch die Bereitstellung absoluter Positions- und Geschwindigkeitsinformationen erheblich beschleunigen. In Kombination mit einem faseroptischen INS verkürzt diese externe Daten die Zeit, die für die Erreichung voller Navigationsgenauigkeit benötigt wird.
| Mit GNSS-Unterstützung | Ohne GNSS-Unterstützung |
|---|---|
| Die Ausrichtung konvergiert viel schneller, oft innerhalb weniger Minuten. | Die Ausrichtung basiert ausschließlich auf Trägheitssensoren, wodurch die Stabilisierung länger dauert. |
| Die Kursgenauigkeit verbessert sich schnell, insbesondere bei der Feinjustierung. | Kursfehler können so lange größer bleiben, bis genügend Zeit vergangen ist. |
| Ideal für den schnellen Einsatz von UAVs. | Geeignet für Operationen ohne GNSS-Empfang, erfordert jedoch Geduld. |
Welche Risiken birgt eine mangelhafte Initialisierung?
Wird die Initialisierung nicht korrekt durchgeführt, schleichen sich von Anfang an Fehler in die Navigationslösung ein. Diese Probleme bleiben möglicherweise zunächst unentdeckt, können aber die Missionsleistung erheblich beeinträchtigen, sobald die Drohne in der Luft ist.
- Kursfehler → führen zu falschen Navigationspfaden und kumulativer Drift.
- Routenabweichungen → UAVs können von den geplanten Fluglinien abweichen, was häufige Korrekturen erforderlich macht.
- Abhängigkeit von GNSS → schwächt die Zuverlässigkeit in Umgebungen ohne GNSS-Empfang.
- Verlängerte Konvergenzzeiten → verschwenden Betriebszeit und Energie.
- Geringeres Vertrauen → Die Bediener können der Navigationslösung nicht mehr vollständig vertrauen.
Der letzte Schritt vor dem Flug
Die Initialisierung vor dem Flug kann man sich wie den stillen Countdown vor einem Raketenstart vorstellen. Äußerlich geschieht nichts Dramatisches, doch im Inneren des faseroptischen INS (Inertialnavigationssystems) finden alle Sensoren, alle Algorithmen und alle Schaltkreise ihre Position. Wird der Countdown übersprungen, ist der Start gefährdet; wird er eingehalten, beginnt die Mission mit Zuversicht.
Für UAV-Betreiber bedeutet dies, dass Aufwärmphase, Bias-Schätzung und Ausrichtung niemals überhastet durchgeführt werden dürfen. Jeder Schritt ist zwar unsichtbar, aber entscheidend für die Genauigkeit in der Luft. Der Vorteil liegt auf der Hand: weniger Überraschungen, schnellere Konvergenz und ein Navigationssystem, auf das Sie sich auch bei fehlendem GNSS verlassen können.
Bei GuideNav entwickeln wir unsere faseroptischen INS-Einheiten, um diese Disziplin mit schnellem Aufwärmen, robusten Selbsttests und zuverlässigen Ausrichtungsalgorithmen . Befolgen Sie die richtigen Schritte, kombinieren Sie sie mit der richtigen Technologie, und Ihre Drohne ist stets bereit für die kommenden Herausforderungen.
