Wie stellen Sie sicher, dass der autonome Lkw, den Sie bauen, dort ankommt, wo er hin soll? Oder stellen Sie sicher, dass Ihr autonomes Robotaxi an an Laternenpfählen vorbeifährt und nicht durch durchfährt?
Die Antwort ist natürlich, dass man eine Navigationsmaschine baut, die es dem Fahrzeug ermöglicht, Geodaten zu verarbeiten, die ihm genau sagen, wo es und andere Dinge auf der Erde sind. Um eine Navigationsmaschine zu bauen, die überall auf der Erde (oder zumindest in den Gebieten, in denen Sie Ihre autonome Plattform verkaufen möchten) erfolgreich arbeiten kann, müssen viele Variablen und Herausforderungen berücksichtigt werden.
In diesem Artikel werden wir uns auf die Herausforderungen konzentrieren, die die Form der Erde mit sich bringt.
Was muss ich beachten?
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie vor allem folgende Punkte beachten sollten:
- Es gibt verschiedene Systeme, um die Form der Erde zu beschreiben.
- Es gibt verschiedene Modelle, die diese Systeme nutzen, um Teile der Erde oder die ganze Erde abzubilden.
- Nicht die gesamte Hardware Ihrer autonomen Plattform wird die gleichen Systeme oder Modelle verwenden.
Wenn Ihr Navigationssystem diese Dinge nicht berücksichtigt, besteht die Gefahr, dass Ihre Plattform nicht dorthin fährt, wo sie hin soll. Das kann den Unterschied ausmachen zwischen einem Fahrgast, der erfolgreich an sein Ziel gebracht wird, und einem Robotaxi, das Dellen in die Straßenmöblierung schlägt, wenn es nicht auf Ihrer Teststrecke fährt.
Um zu verstehen, warum das alles so wichtig ist, sollten wir mit der Form der Erde beginnen.
Die Erde ist keine Kugel
Irgendwo im Internet kursiert eine großartige Behauptung darüber, dass die Erde trotz ihrer Unebenheiten immer noch glatter ist als eine Billardkugel, die so groß ist wie die Erde. Und obwohl niemand mehr Billard spielt, könnte man meinen, dass dies bedeutet, dass die Erde relativ glatt ist. Wenn es darum geht, die Erde zu vermessen, um eine Karte zu erstellen, auf der eine autonome Plattform navigieren kann, fällt diese Analogie leider in sich zusammen wie ein Billardqueue, der an die Seite eines Billardtisches gelehnt ist.
Erstens ist die Erde keine perfekte Kugel, sondern ein Ellipsoid - ein sehr unebenes. In geodätischer Hinsicht kommen wir der Abbildung der Erde am nächsten, wenn wir tatsächlichen Das ist eine theoretische Form, die auf dem mittleren Meeresspiegel basiert (wenn das Meer unter dem Land verliefe). Aber selbst das ist für Kartierungszwecke zu komplex. Als Wissenschaftler erstmals versuchten, ein globales Koordinatensystem für die Erde zu schaffen, wurde ihnen schnell klar, dass sie ein theoretisches Ellipsoid erstellen mussten, das war flach ist. Im Laufe der Zeit wurden mehrere Ellipsoide entwickelt.
Warum gibt es mehr als ein Ellipsoid?
Das Ziel eines jeden geodätischen Ellipsoids ist es, dem Geoid so nahe wie möglich zu kommen - aber ganz so einfach ist es nicht. Es gibt verschiedene Gründe, warum wir mehrere Ellipsoide gleichzeitig verwenden:
- Einige Ellipsoide sind so konzipiert, dass sie das gesamte Geoid optimal abbilden. Die beiden derzeit am häufigsten verwendeten globalen Ellipsoide sind WGS84 (World Geodetic System 84) und GRS80 (Geodetic Reference System 1980). Sie liefern die besten Ergebnisse, wenn Sie versuchen, große Teile des Planeten oder den gesamten Planeten zu kartieren.
- Einige Ellipsoide bieten die beste Anpassung für einen bestimmten Teil des Geoids (z. B. ein Land), so dass sie in diesen Gebieten genauer sind als ein globales Ellipsoid, aber in anderen Gebieten weniger genau. Im Vereinigten Königreich verwenden wir zum Beispiel das Ellipsoid Airy 1830 (dieser OS-Artikel zeigt Ihnen, wie Airy 1830 dem Geoid näher kommt als GRS80).
- Ellipsoide werden gelegentlich aktualisiert, wenn der technologische Fortschritt es ermöglicht, das Ellipsoid neu zu berechnen, um sich dem Geoid anzunähern (oder wenn sich das Geoid ändert, z. B. aufgrund tektonischer Aktivitäten).
Was ist also ein Datum?
Ein Bezugspunkt ist ein wichtiger Bestandteil eines geografischen Koordinatensystems. Man kann es sich so vorstellen:
- Das geografische Koordinatensystem gibt an, wie man die Lage eines Objekts auf der Erde beschreiben kann.
- Der Bezugspunkt gibt Ihnen einen festen Punkt auf der Erde, von dem aus Sie Ihr Koordinatensystem aufbauen können.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Bezugspunkten - horizontale und vertikale.
Horizontale Bezugspunkte
Horizontale Bezugspunkte verbinden Ihren Breiten- und Längengrad mit der realen Welt. Sie basieren auf bestimmten Ellipsoiden - und wie bei Ellipsoiden gibt es globale horizontale Bezugspunkte, die für die beste Gesamtgenauigkeit auf dem gesamten Globus ausgelegt sind, und lokale Bezugspunkte, die für die beste Genauigkeit in einem bestimmten Gebiet ausgelegt sind.
Ein lokales Datum wird jedoch nicht immer auf der Grundlage eines lokalen Ellipsoids erstellt. In Großbritannien verwenden wir das OSGB36-Datum, das auf dem lokalen Ellipsoid Airy 1830 basiert, während in Nordamerika NAD 83 verwendet wird, das auf dem globalen Ellipsoid GRS80 basiert. Auch die Datumsangaben werden in regelmäßigen Abständen aktualisiert, um tektonischen Verschiebungen oder technischen Verbesserungen Rechnung zu tragen (oder manchmal auf der Grundlage eines neuen Ellipsoids, das besser passt). Lokale Datumsangaben können auch aufgrund tektonischer Aktivitäten aktualisiert werden - das in Japan verwendete JGD2011-Datum wurde beispielsweise als Ersatz für das JGD2000-Datum nach dem Tohoku-Erdbeben geschaffen, das die lokale Geologie so stark beeinträchtigte, dass das JGD2000-Datum für Präzisionsmessungen unzuverlässig wurde.
Vertikale Bezugspunkte
Vertikale Bezugspunkte fixieren die Höhe Ihres Koordinatensystems in der realen Welt. Einige Systeme verwenden die Oberfläche eines Ellipsoids als vertikalen Bezugspunkt (insbesondere WGS84), aber die meisten anderen verwenden einen bestimmten Punkt, an dem der Meeresspiegel dem durchschnittlichen Meeresspiegel entspricht (und somit dem Geoid am nächsten liegt). Vertikale Bezugspunkte sind für landgestützte autonome Fahrzeuge wohl nicht so wichtig, aber für Wasser- oder Luftfahrzeuge sind sie natürlich von enormer Bedeutung.
Warum ist das alles so wichtig?
Sie werden festgestellt haben, dass, da es eine Reihe verschiedener Datumsangaben gibt, die auf unterschiedlichen Ellipsoiden basieren, drei Dinge wahr sind:
- Ein Koordinatensatz kann sich auf mehrere Orte beziehen, je nachdem, welchen Bezugspunkt Sie verwenden.
- Ein und derselbe Ort kann unterschiedliche Koordinaten in verschiedenen Bezugssystemen haben.
- Dieser Ort kann sich auch in unterschiedlichen Höhen befinden, je nachdem, ob Sie die Höhe vom Meeresspiegel/Geoid oder von der Oberfläche Ihres Ellipsoids aus messen.
Oft sind die Entfernungsunterschiede gar nicht so groß (der Unterschied zwischen WGS84 und ITRF beträgt z. B. im Allgemeinen weniger als 10 mm). Sie können aber auch sehr groß sein. In Australien beispielsweise unterscheiden sich das aktuellste Datum, GDA94, und sein Vorgänger AGD84 an manchen Stellen um mehr als 200 m. Erschwerend kommt hinzu, dass es ein ältere Version namens ADG66 - und die Daten aller drei sind an verschiedenen Orten in Australien noch immer in Gebrauch. In großen Ländern wie Australien und den USA verwenden die einzelnen Bundesstaaten unterschiedliche Datumsangaben - das Überschreiten von Staatsgrenzen macht Ihre Kartierung also noch komplexer.
Datumsprobleme können zwei wichtige Folgen für Ihr autonomes Fahrzeug haben (drei, wenn Sie eine Drohne oder ein U-Boot bauen):
- Objekte befinden sich nicht dort, wo Ihr Fahrzeug sie vermutet, d. h., es fährt nicht dorthin, wo es hin soll, oder es stößt mit Dingen zusammen, von denen es glaubt, dass sie nicht dort sein sollten.
- Bei einem Fahrzeug, bei dem die Höhe eine Rolle spielt, kann es passieren, dass Ihr Fahrzeug seine Höhe falsch einschätzt - was dazu führen kann, dass es in den Boden kracht, versucht, in der Luft zu landen (Spoiler-Alarm: auch das führt dazu, dass es in den Boden kracht), oder denkt, dass es auf der Wasseroberfläche ist, obwohl es noch unter Wasser ist (oder umgekehrt).
- Für Ihr Fahrzeug ist es fast unmöglich, die zurückgelegte Strecke in Breiten- und Längenkoordinaten umzurechnen.
Dieser dritte Punkt ist wichtig, weil Ihre IMU Daten in Metern ausgibt, während Ihr GNSS-Empfänger Breiten-/Längenkoordinaten liefert - und Ihr Kalman-Filter versucht, die Genauigkeit Ihrer Daten zu bewerten. Sie müssen sicherstellen, dass Ihre Navigations-Engine die Bewegung in Metern korrekt auf die Bewegung in Breiten-/Längenkoordinaten umrechnen kann, sonst wird Ihr Kalman-Filter mindestens einen Satz von Messungen als ungenau zurückweisen, was Ihre Plattform lähmt. Darüber hinaus müssen Sie bedenken, dass Ihr Koordinatengitter umso kleiner wird, je näher Sie sich den Polen nähern - Sie müssen also nicht so viele Meter zurücklegen, um die Breiten- und Längenkoordinaten zu ändern. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn Sie wollen, dass Ihr autonomes Fahrzeug auch an anderen Orten als auf Ihrer Teststrecke richtig funktioniert. Der Betrag, um den sich diese Bewegung ändert, hängt davon ab, welchen Bezugspunkt Sie verwenden, da das Gitter jedes Bezugspunkts etwas anders ausgerichtet ist.
Der Ansatz OxTS
Wir haben unsere INS-Geräte so konstruiert, dass sie Probleme mit Bezugspunkten mit so wenig Aufwand wie möglich lösen. Alle OxTS Trägheitsnavigationssysteme können Positionsdaten in Echtzeit mit den folgenden Bezugspunkten ausgeben:
- WGS84
- ITRF2008
- ETRS89
- NAD83
Wenn Sie für Ihre Arbeit andere Bezugssysteme verwenden müssen, können Sie unsere Nachbearbeitungssoftware nutzen, OxTS Georeferencerkönnen Daten in jedem dieser Bezugssysteme in jedes der weltweit gebräuchlichen Bezugssysteme umwandeln.
Noch Fragen?
Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen einen Eindruck davon vermittelt hat, wie sich die Form der Erde auf die Art und Weise auswirkt, wie autonome Plattformen gebaut werden müssen. Dieser Artikel ist natürlich nur ein Ausgangspunkt - wenn Sie mehr erfahren möchten, können Sie sich die Referenzartikel ansehen, die wir unten verlinkt haben, ebenso wie andere Themen. Und wenn Sie eine spezielle Frage zu Ihrem Automatisierungsprojekt haben, würde sich unser Team freuen, sie zu hören und Ihnen zu helfen - klicken Sie einfach hier, um mit uns Kontakt aufzunehmen.
Referenzierte Werke:
Weltgeodätisches System - Wikipedia
Was ist WGS84 | Virtual Surveyor : Support Portal (virtual-surveyor.com)
Geodätische Vermessung | GSI HOME PAGE
Koordinatensysteme: Was ist der Unterschied? (esri.com)
OSGM15 Geoid für Großbritannien | Blog | Ordnance Survey
Datumsangaben | Zwischenstaatlicher Ausschuss für Vermessung und Kartierung (icsm.gov.au)
