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Warum ist es wichtig, ein inertiales Navigationssystem (INS) auf einem mobilen Kartierungsfahrzeug zu verwenden?

Anwendungshinweise 21. Januar 2016

Was ist mobile Kartierung?

Die mobile Kartierung ist die Methode zur Erfassung von Geodaten aus einem fahrenden Fahrzeug. Die mobile Kartierung wird auf eine Vielzahl von Plattformen angewendet, die von Autos bis zu Lastwagen und von Zügen bis zu Freizeitfahrzeugen reichen. Die mobile Kartierung bietet ein Mittel zur effizienten und dynamischen Kartierung der Umgebung. Mobile Kartierungsfahrzeuge sammeln Daten zur Kartierung von Merkmalen entlang der Route mit Hilfe einer Reihe von Bildsensoren, zu denen digitale Fotokameras, Video- oder Laserscanner gehören. Zu den Merkmalen, die kartiert werden, gehören beispielsweise die Neigungen oder Konturen entlang der Fahrzeugroute, die Position und Art der straßenseitigen Einrichtungen wie Beschilderung und Lärmschutzwände, die Höhe und Struktur der umgebenden Vegetation oder der Zustand der Straßenoberfläche selbst. Die Genauigkeit, Präzision und Häufigkeit der Messungen, die für die Abbildung dieser Merkmale erforderlich sind, werden sich drastisch unterscheiden, sodass Kameras möglicherweise mehrere Bilder pro Sekunde aufnehmen oder Laserscanner eine Million einzelner Datenpunkte pro Sekunde erfassen könnten.

Ein mobiles Kartierungssystem muss daher in der Lage sein, Daten so zu sammeln, dass die Benutzer in der Lage sind, Merkmale von Interesse in den vom mobilen Kartierungsfahrzeug gesammelten Daten zu lokalisieren und zu positionieren, während es in Bewegung ist. Die Positionierung dieser Daten erfordert nicht nur die Kenntnis des Standortes des Fahrzeugs, sondern auch die Orientierung und die Weiterfahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Aufgrund der Häufigkeit, mit der die Daten erfasst werden, handelt es sich dabei um Informationen, die während der gesamten Fahrt des mobilen Kartierungsfahrzeugs ständig verstanden werden müssen. Vermessungstechnologien wie globale Positionierungssysteme (GPS) sind bekannt und weit verbreitet, aber sich nur auf GPS zu verlassen wird zu unvollständigen mobilen Kartenergebnissen führen. Hier ist es wichtig, dass ein inertiales Navigationssystem verwendet wird, um eine komplette mobile Kartenlösung zu liefern.

Straßenprofilierung mit mobilen GeoTracker-Kartierungsfahrzeugen

Abbildung 1: Mobile Kartierungsfahrzeuge im Einsatz. Bilder mit freundlicher Genehmigung von WSP Schweden.

Warum nicht einfach GPS zur Positionierung mobiler Kartierungsfahrzeuge verwenden?

Die Verwendung von GPS durch Vermessungsingenieure zur Erstellung und Aktualisierung von Karten ist seit über 20 Jahren gang und gäbe. Diese Systeme berechnen eine Position auf der Erdoberfläche anhand von Zeitinformationen, die sie von einem Netzwerk globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS) erhalten, die die Erde ständig umkreisen. Zu den Satellitenkonstellationen, auf die die GNSS-Systeme zugreifen, könnten das ursprüngliche US-geführte GPS-Projekt (Global Positioning System), die russische GLONASS-Konstellation oder eine der anderen in Entwicklung befindlichen Konstellationen wie das europäische GALILEO-Projekt oder das chinesische BeiDou-Projekt gehören. Für die Zwecke dieser Beschreibungen werden die Oberbegriffe GPS und GNSS verwendet.

Bei der Durchführung mobiler Kartierungen gibt es Herausforderungen, die mit dem Verlassen allein auf GPS-Daten verbunden sind. Zu den Fragen im Zusammenhang mit der Verwendung von GPS gehören diejenigen, die mit dem GPS-Empfänger zusammenhängen, der eine saubere Sichtlinie zu mindestens vier GNSS gleichzeitig haben muss, um Längen- und Breitengrad sowie Höhenkoordinaten zu erhalten. Darüber hinaus führt die Gesamtverteilung der GNSS-Satelliten über einem bestimmten Teil der Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt möglicherweise nicht zu einer klaren Sichtlinie. Das Ausmaß, in dem die Standortkoordinaten erfasst werden können, hängt auch davon ab, ob Strukturen in der Umgebung den Empfänger davon abhalten, den Himmel klar zu sehen, sodass hohe Gebäude oder überhängende Bäume zu Ausfällen in dem Ausmaß führen können, in dem ein GPS seine Position berechnen kann. Dieses Problem kann sich bei der mobilen Kartierung sogar noch verschärfen, da die Fahrzeuge häufig durch GPS-arme Gebiete wie Stadtzentren oder Wälder fahren. Darüber hinaus ist, selbst wenn die erforderliche Anzahl von Satelliten zu sehen ist, die Frequenz, mit der die Standortmessungen von einem GPS aufgezeichnet werden, wahrscheinlich anders als die Frequenz, mit der Bilder von den Sensoren am Fahrzeug erfasst werden. Daher ist es notwendig zu verstehen, wo sich das Fahrzeug in Zeiten, in denen kein GPS verfügbar ist, befindet, und in der Lage zu sein, zu messen oder vorherzusagen, wo das Fahrzeug zwischen den empfangenen GPS-Messungen hingefahren ist.

GNSS in städtischen Gebieten vs. INS

Abbildung 2: Illustration eines GPS-Ausfalls bei mobiler Kartierung in städtischer Umgebung

Schließlich muss ein mobiles Kartierungssystem kontinuierlich die äußere Orientierung der Sensoren auf dem mobilen Kartierungsfahrzeug berechnen. Während der Fahrt muss das Fahrzeug nicht nur eine geradlinige Distanz zwischen den Datenpunkten messen, sondern seine Bewegung auch in Bezug auf Rollen, Neigung und Gier des Fahrzeugs beschrieben werden. Während GPS Informationen über die geografischen Koordinaten des Fahrzeugs zu einem bestimmten Zeitpunkt liefern kann, weiß das System nicht, ob das Fahrzeug auf einen Abhang zeigt oder wie schnell es sich auf Merkmale in der Landschaft zubewegt (oder daran vorbeifährt).

Vollständige mobile Kartierung unter Verwendung eines inertialen Navigationssystems

In der Praxis wird die mobile Kartierung am besten durchgeführt, wenn eine Reihe von Sensoren verwendet wird, um die Position, Richtung und Ausrichtung des Fahrzeugs während der Fahrt zu bestimmen. Diese zusätzlichen Sensoren helfen, die Lücken zu füllen, wenn ein Ort unbekannt ist, und schließen in der Regel Folgendes ein:

  • GPS-Empfänger, zur Berechnung von Breiten- und Längengrad und Höhe
  • Ein Kilometerzähler, zur Messung der zurückgelegten Strecke
  • Eine inertiale Messeinheit (IMU) zur Messung von Rollen, Neigung und Kurs des Fahrzeugs und der darauf befindlichen Sensoren.
  • Eine CPU, die verschiedene statistische Algorithmen zur Vorhersage der Position des mobilen Kartierungsfahrzeugs auf der Grundlage der akkumulierten Messwerte der oben beschriebenen Sensoren enthält.

Das inertiale Navigationssystem (INS) ist das Computersystem, das eine IMU umfasst und Eingaben vom GPS und den Kilometerzählersystemen (falls verfügbar) zur Berechnung der wahrscheinlichsten Gesamtposition des Fahrzeugs erhält.

Komponenten eines mobilen Kartierungsfahrzeugs

Abbildung 3: Komponenten eines mobilen Kartierungsfahrzeugs

Die Hardware-Komponente, die einen Großteil der Informationen über die Dynamik der Bewegung des mobilen Kartierungsfahrzeugs liefert, ist die IMU. Die IMU besteht aus einer Baugruppe von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern und wird einen kontinuierlichen Datenstrom über die lineare Beschleunigung des Fahrzeugs auf drei Achsen zusammen mit den drei Sätzen von Rotationsparametern liefern. Um zusätzliche Messungen in Bezug auf die vom mobilen Kartierungsfahrzeug zurückgelegte Entfernung zu ermöglichen und um die Drift in schwierigen GNSS-Umgebungen zu reduzieren, werden die meisten landgestützten Fahrzeuge mit einem mechanischen oder laserbasierten Radsensor (Kilometerzähler) zur Messung der Raddrehzahl ausgestattet.

Schließlich werden, entweder als Verarbeitungseinheit im INS integriert oder als separater Bordcomputer, Algorithmen angewendet, die die Eingangsdaten der an das GPS angeschlossenen Sensoren überprüfen und analysieren. Unter Verwendung einer Reihe statistischer Algorithmen wie Kalman-Filter werden die absoluten Positionen und Orientierungen des mobilen Kartierungsfahrzeugs und seiner Vermessungssensoren auf der Grundlage aller zu jedem Zeitpunkt verfügbaren Informationen berechnet. Das statistische Element dieser Algorithmen ermöglicht es, die Informationen von den Sensoren, die in das INS eingespeist werden, zusammenzufassen und ist in der Lage, eine Trajektorie zu berechnen, über die sich das Fahrzeug bewegt hat. Durch ein Verfahren, das als Koppelnavigation bezeichnet wird, kann so eine statistisch höchstwahrscheinliche Position des Fahrzeugs zu Zeiten berechnet werden, in denen keine GPS-Daten zur Verfügung stehen.

Das INS-System ermöglicht es dem mobilen Kartierungssystem, während der Fahrt kontinuierlich und mit hoher Zuverlässigkeit raumbezogene Informationen über eine Reihe von Umgebungen zu sammeln. Durch ein besseres Verständnis der Dynamik der sich bewegenden Fahrzeugplattform sind die Betreiber mobiler Kartierungssysteme in der Lage, die Daten, die von den darauf montierten bildgebenden Sensoren erfasst werden, zu lokalisieren und zu positionieren.

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Paris, FR