Trägheitsnavigation: Koppelnavigation (dead reckoning)

Anhand der Messungen von drei Beschleunigungsmessern und drei Kreiseln wird das OXTS Trägheitsnavigationssystem merkt sich, wo es sich im dreidimensionalen Raum befindet. Dies geschieht durch einen Prozess namens Koppelnavigation.

Der eigentliche Vorgang des "Dead Reckoning" ist recht einfach zu verstehen; man nimmt Informationen aus einer Quelle (Kreisel und Beschleunigungsaufnehmer in diesem Fall) und verwandeln sie in eine Bewegung, die zu Ihrer letzten bekannten Position hinzugefügt werden kann, um zu sehen, wo Sie sich gerade befinden.

Ein vereinfachtes 2D-Beispiel für eine Koppelberechnung wird hier gezeigt.

Das Bild zeigt dann drei weitere Positionen und die von den Sensoren aufgezeichneten Informationen zwischen diesen Positionen. In der Realität würde das INS seine Position natürlich Dutzende oder Hunderte Male pro Sekunde aktualisieren, aber in diesem Beispiel werden die Positionsaktualisierungen nur angezeigt, wenn wichtige Änderungen stattfinden, um das Verständnis zu erleichtern.

Zum Zeitpunkt Null ist das INS also stationär (und weiß nicht, wo es sich befindet). Dann misst es 1 Sekunde lang eine Beschleunigung von 5 m/s² am Beschleunigungsmesser der x-Achse, was einer Geschwindigkeit von 5 m/s (oder 18 km/h) entspricht. Danach kommt er sofort zum Stillstand und misst 0,5 Sekunden lang eine Beschleunigung von -10 m/s². Da an den anderen Sensoren keine weiteren Messungen registriert wurden, kann der Gurtnavigator leicht feststellen, dass er sich 3,75 Meter in Richtung der x-Achse bewegt hat. Auch zu diesem Zeitpunkt weiß das INS nicht, wo es sich befindet, da wir ihm zunächst keine Positionsinformationen gegeben haben.

Sobald das INS bei der Positionsaktualisierung 1 anhält, erfasst der z-Achsenkreisel für 0,5 Sekunden einen Wert von 90 °/s; er weiß also, dass er sich gerade um 45° im Uhrzeigersinn gedreht hat. Sobald diese Bewegung abgeschlossen ist, stellt das INS erneut eine Beschleunigung auf dem Beschleunigungsmesser der x-Achse fest. Diesmal ist es 1 m/s² für 10 Sekunden, gefolgt von -5 m/s² für 2 Sekunden. Mit den gleichen Techniken wie zuvor kann das INS berechnen, dass es sich nun 60 Meter weiter in einem Winkel von 45° von der Position bei Positionsaktualisierung 1 entfernt hat. Das war gemeint, als wir vorhin davon sprachen, dass sich die Positionsaktualisierungen eines INS auf die letzte bekannte Position beziehen.
Die letzte Bewegung unterscheidet sich von den vorherigen. Bei der Positionsaktualisierung 2 können Sie sehen, dass sich das INS gedreht hat, so dass es die gleiche Ausrichtung wie zu Beginn hat. Wenn es sich dann zur Position 3 bewegt, können wir jedoch sehen, dass sich das INS jetzt in einem Winkel zu seiner Messachse (dem IMU-Rahmen) bewegt - es bewegt sich rückwärts und nach rechts mit einer Ausrichtung von 135°.

Aufgrund dieser Bewegung wird die Beschleunigung gleichzeitig auf der x- und y-Achse registriert. Es gibt auch keine negative Beschleunigung, die das INS zum Stillstand bringt. Obwohl die Messungen der Beschleunigungsmesser nach einer Sekunde auf Null fallen, weiß der Navigationscomputer, dass das Gerät noch eine Geschwindigkeit hat. In diesem Fall bewegt es sich mit 7,07 m/s (etwa 25 km/h), und die Positionsaktualisierung 3 erfolgt 1,5 Sekunden, nachdem das INS die Positionsaktualisierung 2 verlassen hat. In dieser Zeit hat das INS 7,95 Meter zurückgelegt.

Wie alle Dinge hat auch die Trägheitsnavigation ihre Stärken und Schwächen. Eine der wichtigsten, die man verstehen muss, um möglichst genaue Messungen von Position, Orientierung und Dynamik zu erhalten, ist Drift.

Dieser Artikel ist Teil einer Reihe von Artikeln in unserem 'Was ist ein Trägheitsnavigationssystem?' Serie.