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Was ist INS? / Was ist ein inertiales Navigationssystem?

Industrie-Artikel 5. Oktober 2020

Was ist ein Inertialsystem? Was ist ein inertiales Navigationssystem? Wofür steht INS? Das sind gute Fragen, die man sich stellen kann - und wir haben hier die Antworten. Sie sind relevant für das tägliche Leben, zum Beispiel wenn Sie versuchen, mit dem Auto zur Arbeit zu navigieren. Wir fangen sinnvollerweise ganz am Anfang an...

 

Das Leben vor GPS

OxTS INS-KartenerstellungDa selbst in Küchengeräten heutzutage GPS-Empfänger eingebaut zu sein scheinen, ist es schwer vorstellbar, dass es ein Leben gab, bevor es GPS gab. Wie kamen die Menschen damit zurecht? Ist es überhaupt möglich, ein Auto zu fahren, ohne dass eine körperlose Stimme einem sagt, links und rechts abzubiegen und wenn möglich umzudrehen? Für eine Generation, die mit Satellitennavigationssystemen und Smartphones aufgewachsen ist, ist dies eine ernsthafte Frage: Wie haben die Menschen eigentlich herausgefunden, wo sie waren?

Die Wahrheit ist, dass der Durchschnittsbürger, wenn er vor dem GPS wissen wollte, wo er sich befand, auf Karten, Beobachtungen und äußerst ungenaue Annahmen zurückgreifen musste. Und wenn die Situation wirklich schlimm wurde, fragte man nach dem Weg. Für Einzelpersonen und Unternehmen mit viel Geld, viel Platz und einem echten Bedürfnis zu wissen, wo sie sich befanden, kam ihre Rettung jedoch häufig in Form eines Trägheitsnavigationssystems (INS).

 

Was ist ein inertiales Navigationssystem?

Inertiale Navigationssysteme gibt es in allen Formen und Größen. Eines haben sie jedoch gemeinsam: Sie verwenden mehrere inertiale Sensoren und eine Art zentrale Verarbeitungseinheit, die die von diesen Sensoren kommenden Messungen verfolgt. Die Sensoren, die ein INS verwendet, sind in der Regel Kreisel und Beschleunigungsmesser - und in der Regel befinden sich mehrere davon im Inneren. Wir werden uns gleich ansehen, wie ein INS tatsächlich funktioniert, denn im Moment ist das Wichtigste, dass Sie sich bewusst sind, wie sie sich von GPS unterscheiden - mit dem Sie wahrscheinlich besser vertraut sind.

Schalten Sie einen GPS-Empfänger ein und - vorausgesetzt, dass alles korrekt funktioniert - wird er nach kurzer Zeit eine Positionsmessung erzeugen. Ignoriert man die Ungenauigkeiten des GPS-Empfängers, so ist die vom Empfänger erzeugte Positionsmessung recht spezifisch. Sie besagt "Sie befinden sich auf diesem Breiten- und Längengrad" - mit anderen Worten, sie gibt uns eine absolute Position unter Verwendung eines bekannten Koordinatensystems. Inertiale Navigationssysteme funktionieren nicht auf diese Weise. In ihrem Fall ist die Messung, die sie erzeugen, relativ zu ihrer letzten bekannten Position. Selbst nachdem ein inertiales Navigationssystem mehrere Minuten lang eingeschaltet war, kann es nicht sagen, "Sie befinden sich auf diesem Breiten- und Längengrad", aber es kann sagen, "Sie haben sich nicht von Ihrem Ausgangspunkt entfernt".

Warum verwenden Menschen also überhaupt Trägheitsnavigationssysteme? Wenn sie Ihnen nicht sagen können, wo Sie sich befinden, wie konnten sie den Menschen zum Mond navigieren, warum stürzen U-Boote nicht ständig ab, und wie finden Flugzeuge und Raketen ihren Weg? Zum Glück ist die Antwort auf diese Frage einfach. Ein Trägheitsnavigationssystem berechnet, wo es sich im Verhältnis zu seinem Ausgangspunkt befindet - wenn Sie also dem INS sagen, wo es gestartet ist, kann es anhand seiner eigenen Messungen leicht herausfinden, wo es sich jetzt befindet. Auf diese Weise navigieren Raumschiffe, U-Boote, Flugzeuge und Raketen mit einem INS erfolgreich, weil sie wissen, wo sie gestartet sind.

Nachdem wir nun diskutiert haben, was ein Trägheitsnavigationssystem ist, lautet die nächste logische Frage Wie funktioniert ein INS eigentlich?

Um Trägheitsnavigationssysteme vollständig zu verstehen, ist es nützlich, auch Folgendes zu wissen INS-Rahmen von Referenzene, so dass Sie die auf Ihrer x-, y- und z-Achse registrierten Werte genau interpretieren können. Sie werden auch mehr über die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen verwendeten Sensortypen wissen wollen - Beschleunigungsmesser und gyros. Um zu verstehen, wie ein Trägheitsnavigationssystem im dreidimensionalen Raum verfolgt, wo es sich befindet, müssen Sie auch wissen über Koppelnavigation. Und um die Stärken und Schwächen des INS zu erkennen, müssen Sie auch wissen über Drift.

1

INS: Bezugsrahmen

Ein Trägheitsnavigationssystem besteht aus zwei verschiedenen Teilen; der erste ist die IMU (Inertial Measurement Unit) - manchmal auch IRU (Inertial Reference Unit) genannt. Hier werden wir erklären, was Begriffe wie "IMU-Rahmen" bedeuten.

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2

Beschleunigungsmesser

Beschleunigungsmesser sind einer der Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen verwendet werden. Wie man an ihrem Namen erkennen kann, messen sie die Beschleunigung, nicht die Geschwindigkeit.

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3

Kreisel

Gyros sind einer der Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen (INS) verwendet werden. Einer der anderen Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen verwendet werden, sind Beschleunigungsmesser, die sich hervorragend für die Messung geradliniger Bewegungen eignen, aber nicht für die Messung von Drehbewegungen. gyros Hereinspaziert.

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4

Totenkalkulation

Anhand der Messungen von drei Beschleunigungsmessern und drei Kreiseln verfolgt das Trägheitsnavigationssystem OxTS , wo es sich im dreidimensionalen Raum befindet.

Totenkalkulation ist der Name dieses Prozesses.

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5

Drift

Wie alles hat auch die Trägheitsnavigation ihre Stärken und Schwächen. Während Trägheitsnavigationssysteme zweifellos gut bei der Messung von Position, Orientierung und Dynamik sind, ist die eine Achillesferse der grundlegenden ungestützten Trägheitsnavigationssysteme die Drift.

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